Το εξάρτημα: τρανζίστορ

Δομή του τρανζίστορ

Το τρανζίστορ είναι ένας κρύσταλλος με τρεις περιοχές εμπλουτισμένες με προσμίξεις. Ανάλογα με τον τρόπο εμπλουτισμού, τα τρανζίστορ διακρίνονται σε δυο τύπους, το ΡΝΡ και το ΝΡΝ, όπου η σειρά των γραμμάτων εκφράζει τον τύπο του ημιαγωγού κάθε περιοχής.

Οι τρεις περιοχές ενός τρανζίστορ ονομάζονται, ανάλογα με τη λειτουργία τους, εκπομπός, βάση, συλλέκτης. Ο εκπομπός είναι μια έντονα εμπλουτισμένη περιοχή, στο σχήμα αυτό τονίζεται με δύο [++]. Προορισμός του είναι να εκπέμπει φορτία προς τη βάση. Η βάση είναι μια περιοχή λιγότερο εμπλουτισμένη, στο σχήμα αυτό τονίζεται με ένα [+] και είναι πολύ λεπτή. Το λεπτό πάχος της βάσης επιτρέπει στα περισσότερα φορτία, τα οποία εκπέμπονται από τον εκπομπό, να φθάνουν στο συλλέκτη όπου και συλλέγονται. Το επίπεδο εμπλουτισμού του συλλέκτη είναι χαμηλότερο από αυτό του εκπομπού και από αυτό της βάσης. Επιπλέον, επειδή στο συλλέκτη καταναλώνεται μεγαλύτερη ισχύς, από ότι στη βάση και τον εκπομπό, η περιοχή την οποία καταλαμβάνει ο συλλέκτης είναι μεγαλύτερη.

Στο προηγούμενο σχήμα παρουσιάζονται, όπως προαναφέρθηκε, οι δυο δυνατές περιπτώσεις ενός τρανζίστορ. Το τρανζίστορ ΡΝΡ είναι το συμπληρωματικό του τρανζίστορ ΝΡΝ, επειδή οι φορείς πλειονότητας στον εκπομπό και συλλέκτη του πρώτου είναι οπές, ενώ του δευτέρου ηλεκτρόνια. Αυτό συνεπάγεται, ότι κατά τη λειτουργία του ΡΝΡ τα ρεύματα και οι πολώσεις έχουν αντίθετη φορά με τα ρεύματα και τις πολώσεις του ΝΡΝ. Η μελέτη που ακολουθεί, για να αποφευχθεί οποιαδήποτε σύγχυση, θα εστιαστεί στο τρανζίστορ τύπου ΝΡΝ.

Το κυκλωματικό σύμβολο ενός τρανζίστορ ΡΝΡ και ενός ΝΡΝ δίδονται στο προηγούμενο σχήμα. Το βέλος βρίσκεται πάντα στον εκπομπό και δείχνει τη συμβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος. Η φορά του βέλους δείχνει επίσης τον Ν-τύπου ημιαγωγό. Έτσι στο ΡΝΡ το βέλος δείχνει προς τη βάση, η οποία είναι Ν-τύπου, ενώ στο ΝΡΝ το βέλος δείχνει προς τον εκπομπό, ο οποίος είναι πάλι Ν-τύπου.

Όταν δεν εφαρμόζεται πόλωση σε ένα τρανζίστορ ΝΡΝ, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του εκπομπού διαχέονται προς τη βάση και μέρος οπών της βάσης προς τον εκπομπό. Το ίδιο συμβαίνει και με τα ηλεκτρόνια του συλλέκτη και μέρος των οπών της βάσης. Έτσι δημιουργείται μια περιοχή φορτίου χώρου (απογύμνωσης) σε κάθε επαφή, δηλαδή στην επαφή εκπομπού και στην επαφή του συλλέκτη. Κατά μήκος κάθε επαφής αναπτύσσεται φράγμα δυναμικού, το οποίο στους 23^οC έχει τιμή 0,3V αν ο ημιαγωγός είναι γερμάνιο και 0,7V αν είναι πυρίτιο. Τα τρανζίστορ γερμανίου έχουν πολύ περιορισμένες εφαρμογές, σε αντίθεση με τα τρανζίστορ πυριτίου, των οποίων η χρήση είναι ευρύτατη. Αυτό οφείλεται στο ότι τα τρανζίστορ πυριτίου έχουν ευρύτερα όρια τάσης και ρεύματος και τα χαρακτηριστικά τους εξαρτώνται λιγότερο από την θερμοκρασία από ότι τα αντίστοιχα των τρανζίστορ γερμανίου. Γι' αυτό το λόγο, στη συνέχεια θα δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στα τρανζίστορ πυριτίου.

Όπως προαναφέρθηκε ο προορισμός του εκπομπού είναι να εκπέμπει φορτία προς τη βάση. Για να είναι αυτό εφικτό, πρέπει η δίοδος εκπομπού να είναι ορθά πολωμένη. Επιπλέον, για να είναι δυνατή η συλλογή φορτίων από το συλλέκτη, πρέπει η δίοδος συλλέκτη να είναι ανάστροφα πολωμένη, όπως συμβαίνει στις περισσότερες εφαρμογές.

Αρχή λειτουργίας του τρανζίστορ

Η λειτουργία ενός τρανζίστορ, στην απλουστευμένη προσέγγιση της, βασίζεται στην εκπομπή φορέων από τον εκπομπό και τη συλλογή τους από το συλλέκτη. Για να γίνει αυτό καλύτερα κατανοητό, θα εξετάσουμε ένα τρανζίστορ τύπου ΝΡΝ, όπου θα χρησιμοποιήσουμε τη συμβατική φορά των ρευμάτων. Αρχικά θεωρούμε, ότι η δίοδος εκπομπού είναι ορθά πολωμένη. Όταν η τάση βάσης–εκπομπού V_BE είναι μικρότερη από 0,7V (για τρανζίστορ πυριτίου) δεν διέρχεται πρακτικά ρεύμα από τη βάση προς τον εκπομπό. Αν η τάση βάσης–εκπομπού ξεπεράσει τα 0,7V θα υπάρχει αισθητή ροή ελεύθερων ηλεκτρονίων από τον εκπομπό προς τη βάση και ελεύθερων οπών από τη βάση προς τον εκπομπό.

Η βάση, όπως έχει ήδη αναφερθεί, αποτελείται από ένα λεπτό στρώμα ημιαγωγού τύπου–Ρ, το οποίο είναι λιγότερο εμπλουτισμένο από ότι ο εκπομπός. Εξ' άλλου η επαφή του συλλέκτη, όπως φαίνεται στο σχήμα είναι ανάστροφα πολωμένη και περιορίζει σημαντικά το εύρος της βάσης. Αυτά έχουν σαν αποτέλεσμα την αύξηση του ποσοστού των ηλεκτρονίων τα οποία δεν θα παραμείνουν στο χώρο της βάσης, αλλά θα εισέλθουν στο χώρο της επαφής του συλλέκτη. Το ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή φορτίου χώρου του συλλέκτη έχει τέτοια φορά, ώστε να ωθεί τα ηλεκτρόνια τα οποία έχουν εισέλθει στη βάση, προς τον συλλέκτη. Έτσι αυτά τα ηλεκτρόνια συλλέγονται από την επαφή του συλλέκτη και δίδουν το ρεύμα συλλέκτη Ι_C. Θα πρέπει να μη ξεχνάμε ότι υπάρχει και το ρεύμα ανάστροφης πόλωσης της διόδου συλλέκτη, το οποίο είναι πολύ μικρό και σε αυτή τη φάση θα το θεωρήσουμε αμελητέο.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία παραμένουν στο χώρο της βάσης, μαζί με τις ελεύθερες οπές, οι οποίες εισέρχονται στην περιοχή του εκπομπού, δίνουν το ρεύμα βάσης Ι_Β. Επειδή το ρεύμα αυτό προκύπτει από εξουδετέρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων με ελεύθερες οπές, ονομάζεται και ρεύμα επανασύνδεσης στα διπολικά τρανζίστορ.

Στα περισσότερα τρανζίστορ, περισσότερο από το 95% των φορτίων, που εκπέμπονται από τον εκπομπό, φθάνουν στο συλλέκτη και λιγότερο από το 5% παραμένουν στη βάση και συμβάλουν στο ρεύμα της βάσης.

Ανάλυση των ρευμάτων στο τρανζίστορ

Θεωρώντας το τρανζίστορ ως κόμβο διαπιστώνουμε, από τον πρώτο νόμο του Kirchhoff, ότι το ρεύμα εκπομπού είναι ίσο με το άθροισμα των ρευμάτων βάσης και συλλέκτη (βλέπε τον ορισμό των κατευθύνσεων των ρευμάτων στο σχήμα) I_E = I_B + I_C

Εάν σε ένα τρανζίστορ αυξηθεί η τάση της διόδου εκπομπού του θα αυξηθεί το ρεύμα βάσης I_B και αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος συλλέκτη I_C. Πειραματικά διαπιστώνεται, ότι υπάρχει σχέση (αναλογία) μεταξύ ρεύματος βάσης και ρεύματος συλλέκτη. Γι' αυτό το λόγο υπάρχει δυνατότητα ελέγχου του ρεύματος συλλέκτη μέσω του ρεύματος βάσης. Ορίζεται ένας συντελεστής ο οποίος ονομάζεται απολαβή ρεύματος β, ως το πηλίκο του ρεύματος συλλέκτη προς το ρεύμα βάσης: β = I_C / I_B

Το β είναι αδιάστατο μέγεθος, δηλαδή «καθαρός» αριθμός και είναι σχεδόν σταθερός για συγκεκριμένο τρανζίστορ. Ο συντελεστής β δηλώνει πόσες φορές μεγαλύτερο ρεύμα μπορούμε να ελέγξουμε στο κύκλωμα του συλλέκτη μέσω ενός μικρού ρεύματος στο κύκλωμα βάσης. Για δεδομένο ρεύμα βάσης Ι_Β, το ρεύμα συλλέκτη προκύπτει από τη σχέση: I_C = β Ι_Β

Ο συντελεστής β, για τρανζίστορ χαμηλής ισχύος, έχει τιμές οι οποίες κυμαίνονται από 100 έως 300 ανάλογα το εξάρτημα. Για τρανζίστορ ισχύος οι τιμές του κυμαίνονται από 30 έως 150 ανάλογα το εξάρτημα.

Το ποσοστό των ελεύθερων φορέων του εκπομπού, το οποίο φτάνει στο συλλέκτη και δίνει το ρεύμα συλλέκτη I_C εκφράζεται από το συντελεστή α , ο οποίος ορίζεται ως το πηλίκο του ρεύματος του συλλέκτη προς το ρεύμα του εκπομπού: α = I_C / I_E

Το α είναι αδιάστατο μέγεθος, δηλαδή «καθαρός» αριθμός και παίρνει τιμές 0<α<1. Όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής α τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια φθάνουν στο συλλέκτη και τόσο μικρότερο είναι το ρεύμα βάσης. Το ρεύμα βάσης μπορεί να ελαττωθεί αν η βάση γίνει λεπτότερη και μειωθεί ο εμπλουτισμός της

Εκτελώντας τις πράξεις, έχουμε:   

Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού

Στην απλούστερη περίπτωση, για την πόλωση ενός τρανζίστορ απαιτούνται δυο πηγές τάσης, μια για το βρόχο ορθής πόλωσης της διόδου του εκπομπού και μια για την ανάστροφη πόλωση του βρόγχου της διόδου του συλλέκτη. Στην συνδεσμολογία της προηγούμενης παραγράφου, η βάση είναι το κοινό σημείο σύνδεσης των δυο βρόγχων η οποία ονομάζεται συνδεσμολογία κοινής βάσης.

Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται η συνδεσμολογία κοινού εκπομπού. Σε αυτό το κύκλωμα υπάρχει η πηγή ρεύματος Ι_Β για τροφοδοσία του βρόγχου της διόδου βάσης και η πηγή V_CE για τροφοδοσία του βρόγχου της διόδου του συλλέκτη. Η πηγή I_B πρέπει να πολώνει ορθά τη δίοδο εκπομπού και η V_CE πολώνει (ανάστροφα) τη δίοδο συλλέκτη. Μεταξύ των ακροδεκτών εμφανίζονται οι τάσεις βάσης – εκπομπού V_BE και συλλέκτη – εκπομπού V_CE.

Οι χαρακτηριστικές καμπύλες συλλέκτη λαμβάνονται, όταν μεταβάλλεται η V_CE και μετράται το ρεύμα συλλέκτη Ι_C διατηρώντας σταθερό το ρεύμα βάσης Ι_Β σε όλη τη διάρκεια της μέτρησης. Επειδή το ρεύμα βάσης αποτελεί μεταβλητή παράμετρο, το αποτέλεσμα είναι να έχουμε σμήνος καμπυλών και κάθε χαρακτηριστική καμπύλη να αντιστοιχεί σε μια τιμή του Ι_Β, η οποία και αναγράφεται πάνω από την αντίστοιχη καμπύλη.

Οι χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος συλλέκτη ενός τρανζίστορ καθορίζουν τέσσερις περιοχές, στις οποίες η λειτουργία του τρανζίστορ παρουσιάζει σημαντικές διαφορές από τη μια στην άλλη, όπως παρουσιάζονται παρακάτω:

• Για τιμές τάσης συλλέκτη – εκπομπού μεταξύ 0V και περίπου 0,8V, το ρεύμα συλλέκτη αυξάνεται απότομα και στη συνέχεια αποκτά σχεδόν σταθερή τιμή. Σ' αυτή την περιοχή λειτουργίας του τρανζίστορ που αντιστοιχεί στην απότομα κεκλιμένη καμπύλη, η οποία ονομάζεται περιοχή κόρου, η επαφή συλλέκτη είναι ορθά πολωμένη.
• Για τιμές τάσης συλλέκτη – εκπομπού μεγαλύτερες του 0,8V το ρεύμα συλλέκτη παραμένει πρακτικά σταθερό και δεν εξαρτάται από την τάση συλλέκτη - εκπομπού. Σ' αυτή την περιοχή η δίοδος συλλέκτη είναι ανάστροφα πολωμένη. Σ' αυτή την περιοχή, που είναι η πλέον σημαντική, το ρεύμα συλλέκτη καθορίζεται μόνο από το ρεύμα βάσης. Αυτή αντιπροσωπεύει την περιοχή κανονικής λειτουργίας της διάταξης και γι' αυτό ονομάζεται ενεργός περιοχή και το τρανζίστορ συμπεριφέρεται πλέον ως πηγή σταθερού ρεύματος.
• Όταν η τάση συλλέκτη - εκπομπού υπερβεί κάποια τιμή , στη συγκεκριμένη τιμή του σχήματος τα 30V, το ρεύμα του συλλέκτη αυξάνεται απότομα. Αυτό οφείλεται στην διάσπαση της διόδου συλλέκτη με αποτέλεσμα η διάταξη να παύει να λειτουργεί ως τρανζίστορ. Η τιμή της τάσης συλλέκτη – εκπομπού για την οποία καταρρέει η δίοδος συλλέκτη αναφέρεται στα τεχνικά φυλλάδια ως τάση διάσπασης συλλέκτη–εκπομπού.
• Τέλος, υπάρχει και η χαρακτηριστική η οποία αντιστοιχεί σε ρεύμα βάσης μηδέν, όπου το ρεύμα συλλέκτη, αν όχι μηδέν, είναι πολύ μικρό. Αυτή οφείλεται στο ότι το τρανζίστορ δεν είναι ιδανική συσκευή, οι δίοδοι του είναι πραγματικές και συνεπώς υπάρχουν ρεύματα διαρροής. Η περιοχή η οποία καθορίζεται από αυτή τη χαρακτηριστική ονομάζεται περιοχή αποκοπής.