Bipoláris tranzisztorok

A fejezet tartalma:

• A bipoláris tranzisztorok felépítése
• A bipoláris tranzisztor működése
• Földelt emitteres kapcsolás
  • A földelt emitteres kapcsolás jelleggörbéi
• Összetett tranzisztorok
  • Darlington-pár
  • Sziklai-pár
• A tranzisztor, mint kapcsoló
• Kísérletezzünk!
  • Hozzávalók
  • Tranzisztorok bekötése
  • Tranzisztorok vizsgálata
  • 1. kísérlet: LED felkapcsolása érintéssel
  • 2. kísérlet: Földelt emitteres kapcsolás
  • 3. kísérlet: Földelt kollektoros kapcsolás
  • 4. kísérlet: Egyszerű alkonyatkapcsoló
• Felhasznált irodalom:

A bipoláris tranzisztor háromrétegű félvezető eszköz. A három réteg kémiailag eltérő adalékolású (szennyezésű), s két p-n átmenetet tartalmaz.

A múlt század első felében sokan próbálkoztak azzal, hogy a kristálydetektort (a korabeli félvezetődiódát) az elektroncsövekhez hasonlóan vezérlőelektródával lássák el, amelyet azután erősítőként a rádióvételben kívántak hasznosítani. Megfelelő technológiai kapacitás és publikáció hiányában azonban ezen kísérletek többsége rejtve maradt. Ezekről az eredményekről írt egy érdekes cikket Rékai János a Fizikai Szemle 2010/6. számában "Adalékok a tranzisztor előtörténetéhez" címmel.

A tranzisztor dokumentált és a gyakorlatban is bevált kifejlesztését a Bell Laboratóriumban végezték el. Az új eszközt 1948. június 17-én szabadalmaztatták. A tranzisztor létrehozása kezdetben nem vert fel nagy port, lassan ment át a köztudatba, de végül alapjaiban átalakította az elektronikai ipart. Walter Brattain, John Bardeen és William Shockley munkásságát később elismerték, és 1956-ban mindhárman Nobel-díjat kaptak találmányukért.

A tranzisztor elnevezés az angol transfer-resistor (kb. „átengedés-ellenállás”) szavakból képzett mozaikszó.

A bipoláris tranzisztorok felépítése

A korai tűs, illetve germánium alapú tranzisztorok helyett ma a szilícium alapú rétegtranzisztorok a legelterjedtebbek. Az alábbiakban mi is a Si rétegtranzisztorok felépítését mutatjuk be. A bipoláris tranzisztorok a diódákhoz hasonlóan szennyezett félvezetőkből kerülnek kialakításra. A tranzisztorok három réteget tartalmaznak, ennek megfelelően beszélhetünk pnp és npn tranzisztorról. A három réteget az angol elnevezésnek megfelelően emitternek (E), bázisnak (B) és kollektornak (C) nevezzük, és az angol elnevezések kezdőbetűjével jelöljük.

A tranzisztor kialakítása nem szimmetrikus, az emitter (amely a legnagyobb arányban szennyezett) nem cserélhető fel a kollektorral! A bázis vékony réteg, amely elválasztja az emittert a kollektortól. A kollektor leggyengébben szennyezett réteg, a szennyezés típusa az emitterével egyezik meg. Az alábbi ábrán egy planáris kivitelű szilícium tranzisztor rétegszerkezetének metszeti képét mutatjuk be.


A tranzisztorok tokozása lehet műgyanta, üveg  (ezt főleg a Ge tranzisztoroknál alkalmazták), illetve fém. A fém tokozás többek között a jó hőelvezetés szempontjából előnyös.

A tranzisztor működési feltételei

1. Legalább az egyik szélső réteg (az emitter) nagyságrendekkel erősebben adalékolt, mint a középső.
2. A középső réteg (bázis) sokkal vékonyabb, mint a kisebbségi hordozók diffúziós hosszúsága.

A bipoláris tranzisztor működése

A tranzisztor működéséhez az emitter-bázis átmenetet nyitóirányban, a bázis-kollektor átmenetet pedig záróirányban kell előfeszíteni. Ez - ahogy a 3. ábrán is látható - az alábbi potenciálviszonyokat jelenti:

• PNP típusú tranzisztor esetén az emitter pozitívabb, a kollektor pedig negatívabb a bázisnál.
• NPN típusú tranzisztor esetén az emitter negatívabb, a kollektor pedig pozitívabb a bázisnál.

Az NPN bipoláris tranzisztor áramviszonyait a 4. ábrán láthatjuk. Feszültség nélkül, a szomszéd rétegbe diffundáló többségi töltéshordozók rekombinációja miatt mindkét p-n átmenet határán kiürített réteg alakul ki, és a többségi töltéshordozók további áramlását akadályozó potenciálgát alakul ki. Az emitter-bázis átmenet nyitóirányú  előfeszítése megszünteti ezt a potenciálgátat, s az erősen szennyezett emitterből megindul a többségi töltéshordozók (jelen esetben az elektronok) áramlása, s behatolnak a bázisrétegbe (töltésinjektálás). Ezen injektált töltéshordozók egy kisebb hányada rekombinálódik a bázisréteg többségi töltéshordozóival, többségük azonban tovább halad a kollektor felé. A záróirányban előfeszített bázis-kollektor átmenet potenciálgátja ugyanis gyorsító (a továbbhaladást segítő) hatású a bázisrétegbe injektált elektronokra, mivel azok a bázisrétegben kisebbségi töltéshordozónak számítanak. Az emitterből érkező töltéshordozóknak tipikusan 95 - 99.9 % közötti hányada halad tovább a kollektor felé, s csak a maradék rekombinálódik a bázis többségi töltéshordozóival. Az emitterből befolyó töltéshordozók árama tehát megoszlik  a bázis és a kollektor között:

Az a tény, hogy az emitter-bázis átmenet nyitóirányú előfeszítése viszonylag kis bázisáram mellett nagy emitter-kollekor áramot eredményez, teszi a tranzisztor erősítőként történő felhasználásra.


A cél az, hogy az emitter árama megjelenjen a kollektorban, azaz hogy az emitterből jövő többségi töltéshordozók minél nagyobb számban érjék el a kollektort.

A veszteségek forrásai:

• Az emitter többségi töltéshordozóinak (elektronok) egy része már az emitterben rekombinálódik, a nyitott átmenet miatt a bázisból az emitter felé irányuló lyukáram töltéshordozóival.
• A bázisba érkező elektronáram egy része rekombinálódik a bázisban ill. a kiürített rétegekben, azaz nem éri el a kollektort.

Földelt emitteres kapcsolás

A tranzisztort négypólusként kezelhetjük, ha három kivezetése közül egyet közösítünk. A bemenet és a kimenet közös pontja az úgynevezett "földpont" (ez nem feltétlenül jelent földeléshez kötött potenciált). Így három alapkapcsolást különböztetünk meg: közös (vagy földelt) emitteres, közös kollektoros, közös bázisú. Ezek közül az alábbiakban a legelterjedtebb föltelt emitteres kapcsolással foglalkozunk.

A tranzisztor működéséhez nyitóirányú bázis-emitter feszültséget (szilícium esetén kb. 0,6 V) kell biztosítani. A kollektor-bázis átmenet előfeszítése záró irányú legyen. Az egyenfeszültségek és egyenáramok a tranzisztor működési állapotának, az úgynevezett munkapontnak az adatai. A munkapont körüli változások jelentik a váltakozó áramú működést. Ha tehát váltakozó feszültséget szeretnénk erősíteni (például hangfrekvenciás vagy rádiófrekvenciás erősítő), akkor egyenfeszültségre szuperponált váltakozó fezsültségű jelekkel kell dolgoznunk (a tranzisztor áramirányi ugyanis nem fordíthatók meg.


A bázisáram. I_B = U_IN / R_B

Áramerősítési tényező:  β = I_C / I_B   ami tipikusan 10 és 1000 közötti érték.

A kimenő feszültség: U_OUT = V_T – R_C * I_C

A földelt emitteres kapcsolás jelleggörbéi

Bemeneti karakterisztika: A tranzisztor bemenete a bázis-emitter dióda, a bázis jelleggörbe tehát egy nyitóirányú dióda karakterisztikája. Az emitter-kollektor feszültség kismértékben hatással van a jelleggörbére: a nagyobb kollektorfeszültség elektrosztatikus tere valamivel nagyobb arányban "szipkázza" el a bázisrétegbe injektált töltéshordozókat.

A kimeneti karakterisztika:  A kimeneti karakterisztikát a kollektor-bázis záróirányú dióda határozza meg. A telítődő jellegű, közel vízszintes karakterisztika vonalak hasonlóak a záróirányú karakterisztikához, csak sokkal nagyobb áramértéken. Minden egye karakterisztika vonalat a hozzá tartozó bázisáram paraméterez.

Összetett tranzisztorok

Ha 100 mA-nél nagyobb áramokat szeretnénk kapcsolni, akkor olyan nagy áramerősítési tényezőjű tranzisztort kellene alkalmazni, ami már túl költséges, akkor összekapcsolhatunk két vagy több tranzisztort, az eredő erősítés növelése érdekében.

Darlington-pár

Az egyik elterjedt kapcsolási elrendezés  Sidney Darlington nevéhez fűződik, aki a Bell Laboratórium munkatársaként 1953-ban javasolta két vagy három tranzisztor összekapcsolását egy szilícium lapkán, közös kollektorral. A kapcsolás természetesen különálló tranzisztorokkal is megvalósítható.

Előnye a nagy eredő áramerősítés: β ≈ β₁ * β₂ . Hátránya a nagy nyitófeszültség: U_BE = U_BE1 + U_BE2 és a nagy maradékfeszültség (U_CE = 0,7 - 2,0 V).

Sziklai-pár

Van egy másik áramköri elrendezés is, amelynél a bekapcsolás 0,6 V körüli nyitófeszültséggel is megvalósítható. Ez az NPN és PNP tranzisztorokból kialakított ún. komplementer Darlington kapcsolás, amelyet az angolszász szakirodalom "Sziklai pair" néven  ismer. A kapcsolás ugyanis George Clifford Sziklai (Sziklai György) budapesti születésű amerikai mérnök nevéhez fűződik.

Előnye a nagy eredő áramerősítés: β ≈ β₁ * β₂ és a kis nyitófeszültség: U_BE = U_BE1. Hátránya a Darlington-párhoz hasonlóan nagy maradékfeszültség.

A tranzisztor, mint kapcsoló

A tranzisztor alkalmazásainak jelentős részében a tranzisztort nem analóg jelek erősítésére használjuk, hanem kétállapotú rendszerekben, elektronikusan vezérelhető kapcsolóként. Kapcsoló üzemmódban működtetik a tranzisztorokat az akkumulátortöltők és kapcsoló üzemű tápegységek többsége, a logikai áramkörök és a memóriák, a mikrovezérlők és a mikroprocesszorok.

Kapcsoló üzemben a tranzisztornak két állapota lehetséges: vagy szakadásként viselkedik (nem folyik rajta áram), vagy vezet. Ha például a 7. ábrán látható kapcsoló nyitva van, akkor a bázisáram zérus, így a kollektorkörben sem folyik áram. Ha a kapcsolót zárjuk, akkor az 1kΩ-os ellenálláson át I_BE bázisáram indul meg, a tranzisztor kollektorán ennek β-szorosa I_CE folyhat az emitter felé Ha a tranzisztort a bázisra kapcsolt megfelelő feszültséggel annyira kinyitjuk, hogy az emitter és a kollektor közötti feszültségkülönbség közel zérus lesz (szaturáció), a tranzisztoron át maximális áram folyhat, vagyis a példa szerinti áramkörben az izzó világít. Ez a tranzisztor nyitott állapota. Végeredményben a bázis-emitter közé kapcsolt (megfelelő nagyságú) feszültség következtében meginduló bázisáram hatására a tranzisztor kollektorárama be/kikapcsolható.

A feszültség- és áramviszonyok jobb megértéséhez a 8. ábrán a fogyasztót egy ellenállással helyettesítettük (R_C). Az R₀ ellenállást csak azért iktattuk be, hogy a K kapcsoló nyitott állapotában a tranzisztor bázisa ne lebegjen, hanem határozott lehúzást kapjon.


A bázisáram (a kapcsoló állásától függően):  I_BE = 0, vagy I_BE = U_T / R_B

A kollektoráram: I_CE = β * I_BE (ez szigorúan véve csak kis áramoknál igaz, mert a bázis telítettsége közelében az erősítés lecsökken)

A kimenő feszültség: U_KI = U_T - R_C * I_CE ( U_KI valójában nem más, mint az ábrán szerepló V_CE, a kollektor-emitter feszültség).

Ideális tranzisztor esetén:

• A kapcsoló nyitott állapotában mind a bázisáram, mind a kollektoráram nulla lesz. Mivel az R_C ellenálláson nem folyik áram, nem esik rajta feszültség, a kimeneten az U_T tápfeszültség jelenik meg. A munkapont tehát I_CE = 0, V_CE= U_T adatokkal jellemezhető.
  
• A kapcsoló zárt állapotában I_BE = U_T / R_B, a kollektoráram I_CE = β * I_BE. Ha ez elegendően nagy érték, a tranzisztor teljesen kinyit. A maximális áramot a kollektorkörbe kötött ellenállás limitálja: I_CE = U_T / R_C. Ez a munkapont tehát I_CE = U_T / R_C, V_CE= 0 adatokkal jellemezhető.

Legyen például: U_T = 15 V, R₀ = 47 kΩ, R_B =  15 kΩ, R_C = 2,1 kΩ. Ekkor az ideális esetre vonatkozó két munkapont:  I_CE = 0, V_CE= 15 V, illetve I_CE = U_T / R_C = 15 V / 2,1 kΩ = 7 mA, V_CE= 0 Ha ezt a két pontot összekötjük, megkapjuk az úgynevezett munkaegyenest adatokkal jellemezhető. (a pirossal húzott egyenes a 8. ábrán). Az R_C ellenállással terhelt tranzisztor lehetséges munkapontjai ezen egyenes mentén helyezkednek el.

Reális tranzisztor esetén:

• A kapcsoló nyitott állapotában a bázisáram és a kollektoráram nem lesz tökéletesen nulla, emiatt az R_C ellenálláson is esik egy csekély mértékű feszültség. A tényleges munkapont tehát a 8. ábrán az 1-gyel jelölt piros pont lesz.
  
• A kapcsoló zárt állapotában a tranzisztor nem tud teljesen kinyitni, a kollektor - emitter között az ún. maradékfeszültség mérhető (V_CE > 0). Fentiek miatt a kollektoráram valamivel alatta marad az elméleti maximumnak: I_CE < U_T / R_C. Ez a munkapont a 8. ábrán a 2-es pontnak felel meg.

A reális tranzisztor tehát veszteséges kapcsoló, mert kikapcsolt állapotban is folyik rajta maradékáram, s bekapcsolt állapotban is esik rajta néhány tizedvoltnyi maradékfeszültség.

Kísérletezzünk!

Az alábbiakban néhány egyszerű kísérletet mutatunk be, ám mielőtt ezekhez hozzáfognánk, néhány gyakorlati tudnivalót is tisztáznunk kell!

Hozzávalók

Kísérleteinkhez az alábbi eszközökre lesz szükségünk:

• NPN tranzisztor: bármelyik általános célú típus megfelel, például 2N2222, BC547 vagy BC337.
• PNP tranzisztor: bármelyik általános célú típus megfelel, például 2N2907, BC557 vagy BC327.
• LED:  bármilyen színű, kisteljesítményű (max. 20 mA) 5 mm-es vagy 3mm-es LED. A hosszabbik kivezetés az anód.
• Ellenállás: többféle érték, például 100 R, 22 R, 470 R, 1 k, 4,7 k, 22 k, 47k, 100 k, 470k. Hasznos egy összeválogatott készlet beszerzése (pl. az E-bay kínálatában kapható 20 x 20 darabos válogatás), s akkor mindig lesz kéznél megfelelő érték. (Javasolt kereső kifejezés: 400 Pcs 1/4W Metal Film Resistor Assortment Kit)
• CdS fotoellenállás: a kadmiumszulfid anyagú ellenállás értéke fény hatásra lecsökken (jobban vezet), ezért sok helyen használják fényérzékelőként. Angol elnevezése: Light Dependent Resistor, röviden: LDR.
  
• Dugaszolós próbapanel, 9 V-os elem tápcsatlakozóval, nyomógomb, vezeték (jumper wire).
• Digitális multiméter - nem létszükséglet, de jó, ha kéznél van!
  

Tranzisztorok bekötése

Tranzisztorok használatánál tudnunk kell, hogy:

• PNP vagy NPN tranzisztorról van szó
• Melyik lábon mi van kivezetve (különböző típusoknál eltérő az E, B, C kivezetések sorrendje)
• Melyek azok a határértékek, amelyeket nem léphetünk át a tranzisztor meghibásodása nélkül.
• Melyek a tipikus felhasználás jellemző paramétere (üzemi áram, áramerősítési tényező stb.)

Mindezekről a gyártó által kiadott adatlapok adnak felvilágosítást. A tananyagunkban közreadott mintakapcsolásokban eleve nem használunk extrém nagy áramokat (az általunk használt LED-ek esetében max. 20 mA ), így elegendő a polaritásokra és a bekötésekre figyelni, akkor nem lesz baj...

Amint a 9. ábrán látható, az általunk használt BC típusjelzésű, TO-92 tokozású tranzisztoroknál a lapolt oldalról nézve C, B, E a kivezetések sorrendje. A 2N... típusjelzésű tranzisztoroknál pont fordított a sorrend (E, B, C), erre figyeljünk oda!

Tranzisztorok vizsgálata

A legtöbb digitális multiméter rendelkezik tranzisztorvizsgáló móddal. Az alábbi képeken azt mutatjuk be, hogy egy MAS830 multiméter esetében hogyan végezhetjük el a vizsgálatot.



A tranzisztorvizsgálat segítségével megállapíthatjuk, hogy:

• A tranzisztor működőképes, azaz (még) nem tettük tönkre...
• Ellenőrizhetjük a bekötését (CBE vagy EBC sorrend) és a polaritását (PNP vagy NPN)
• Meghatározhatjuk az áramerősítési tényezőjét, ami hasznos információ az áramkörök méretezéséhez.
  

1. kísérlet: LED felkapcsolása érintéssel

Az alábbi kísérletben egy (vagy két, sorbakötött) tranzisztorral kapcsolgatjuk a LED áramát. Ha elegendően nagy áramerősítési tényezőjű tranzisztort használunk, a vezérléshez minimális nagyságú bázisáram szükséges (20-30 µA), amit az ujjunk is képes átvezetni, ha a 9 V-os tápfeszültséget és a bázist egyidejűleg megérintjük. A G ábrán látható kapcsolás a Darlington kapcsoláshoz hasonlóan az eredő áramerősítési tényező növelésére szolgál.

2. kísérlet: Földelt emitteres kapcsolás

Az alábbi kapcsolás az f-apha.net tananyagából való, ahol  építési (alkatrész elrendezési) útmutató is található.


Magyarázat: Az S1 nyomógomb zárásakor az R1 ellenálláson és a T1 tranzisztor bázisán nyitóirányú áram indul meg. A T1 tranzisztor kinyit,  LED1 világítani kezd.

3. kísérlet: Földelt kollektoros kapcsolás

Az alábbi kapcsolás is az f-apha.net tananyagából való, ahol  építési (alkatrész elrendezési) útmutató is található. A 13. ábrán látható kapcsolás szinte megegyezik az előzővel. A különbség csupán annyi, hogy a LED és az áramkorlátozó ellenállás a kollektro helyett az emitterkörbe került. Mi a változás? A LED nyitófeszültsége és az R3 áramkorlátozó ellenálláson eső feszültség miatt az emitter jóval magasabb potenciálra kerül. Mivel a tranzisztor kinyitásához az U_BE ≥ U_E + 0,65 V feltételnek most is teljesülnie kell, emiatt a bázist is magasabb feszültséggel lehet kinyitni. Ez kudarchoz vezetne abban az esetben, ha például a tranzisztort 3,3 V-os vagy 5 V-os logikai áramkörrel (vagy mikrovezérlővel) próbálnánk vezérelni, a kapcsolni kívánt fogyasztó viszont magasabb feszültségű (pl. 12 V-tal működtetett sorbakötött LED-ek) volna.



Magyarázat: Az S1 nyomógomb zárásakor az R1 ellenálláson és a T1 tranzisztor bázisán nyitóirányú áram indul meg. A T1 tranzisztor kinyit,  LED1 világítani kezd.

Tanulság: ha a  vezérlő jel alacsonyabb feszültségű, mint a fogyasztó tápfeszültsége, akkor  maradjunk a földelt emitteres kapcsolásnál!

4. kísérlet: Egyszerű alkonyatkapcsoló

Ehhez a kísérlethez szükségünk lesz egy CdS fényérzékeny ellenállásra (LDR). Megvilágított állapotban az LDR1 fotoellenállás ellenállása kicsi (1-2 kΩ), az erősen leosztott bázisfeszültség (UBE < 0.1 V)  miatt a tranzisztor nem vezet.

Sötét állapotban a fotoellenállás értéke megnövekszik (többtíz, vagy többszáz kΩ-ra), így a tranzisztor kinyit, a LED világít.

Az alkalmazott tranzisztor áramerősítési tényezője magas ( ~ 300), így kellően érzékeny.


Magyarázat:ha erős fény éri a fényérzékeny ellenállást, annak ellenállása lecsökken, s "lehúzza" a bázis - a tranzisztor nem vezet. Sötétedéskor a fényérzékeny ellenállás értéke megnövekedik, így a 22 kΩ-os ellenálláson átfolyó áram egyre nagyobb hányada jut a tranzisztor bázisára, egyre inkább ki tudja nyitni a tranzisztort, a LED világítani kezd.

Felhasznált irodalom:

Wikipedia: Tranzisztor
Sulinet Tudásbázis: A bipoláris tranzisztor
Centroszet: Bipoláris tranzisztorok
Rencz Márta: A bipoláris tranzisztor
Rékai János: Adalékok a tranzisztor előtörténetéhez (Fizikai Szemle, 2010/6)
Szabó Géza: Elektrotechnika-Elektronika
Colin Mitchell: 200 Transistor circuits
P. Falstad: Circuit simulation
F-alpha.net: Transistor basic circuits
CONRAD Elektronik: Elektronikai kíséletező készlet útmutatója