Jak działa tranzystor?

Tranzystor bipolarny - zasada działania

Tranzystor bipolarny składa się z trzech warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa: p-n-p lub n-p-n. Poszczególne warstwy noszą nazwy emiter, baza i kolektor. Pomiędzy poszczególnymi warstwami tworzą się dwa złącza p-n: baza-emiter (złącze emitera) oraz baza-kolektor (złącze kolektora). Tranzystor typu npn zacznie przewodzić, gdy do bazy przyłożymy napięcie dodatnie względem emitera, typ pnp zacznie przewodzić, gdy do bazy przyłożymy napięcie ujemne względem emitera.

Jeżeli do bazy przyłożymy nieduże względem emitera napięcie, to nośniki większościowe z emitera (elektrony w tranzystorach npn lub dziury w tranzystorach pnp) zaczną płynąć w kierunku bazy. Prąd bazy tranzystora typu npn składać się będzie z prądu dziurowego płynącego od bazy do emitera i z prądu wynikającego z rekombinacji dziur w obszarze bazy. Oba prądy muszą być jak najmniejsze. Prąd elektronowy złącza baza-emiter jest zdecydowanie większy od prądu dziurowego poprzez bardzo silne domieszkowanie obszaru “n” emitera i słabe domieszkowanie bazy. W celu zminimalizowania prądu wywołanego rekombinacją, zmniejsza się fizycznie obszar bazy.

Obszar bazy jest na tyle cienki, że duża część elektronów przedostanie się do obszaru kolektora. Pewna niewielka część elektronów popłynie jednak w kierunku bazy, wywołując niewielki przepływ prądu. Zatem po przyłożeniu do złącza baz-emiter napięcia w kierunku przewodzenia, między bazą a emiterem popłynie pewien niewielki prąd, umożliwiający jednak przepływ znacznie większego prądu między kolektorem a emiterem. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy nazywany jest wzmocnieniem prądowym tranzystora i oznaczany literą β.

Tranzystor polowy (unipolarny) - zasada działania

Tranzystory polowe sterowane są polem elektrycznym (nie pobierają mocy na wejściu), działają jednak na tej samej zasadzie sterowania przepływem ładunku. Trzy wyprowadzenia spełniają podobne funkcje jak odpowiadające im elektrody w tranzystorze bipolarnym. Kolektorowi odpowiada dren (D), odpowiednikiem emitera jest źródło (S), a bazy bramka (G). W tranzystorach polowych prąd płynie przez półprzewodnik o jednym typie przewodnictwa, a prąd wyjściowy jest funkcją napięcia sterującego. 

Zasada działania tranzystora polowego polega na sterowaniu przepływem prądu przez kanał, poprzez pole elektryczne wytwarzane dzięki napięciu przyłożonemu do bramki. Ze względu na budowę tranzystora polowego (brak przewodząco spolaryzowanych złącz), przez bramkę nie przepływa praktycznie żaden prąd. 

Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale pole elektryczne, kształtujące rozkład nośników prądu w kanale. Zmianie ulega efektywny przekroju kanału, a to skutkuje zmianą oporu dren-źródło.

W zależności od typu półprzewodnika, z którego zbudowany jest kanał, rozróżnia się tranzystory z kanałem typu p, w którym prąd płynie od źródła do drenu oraz tranzystory z kanałem typu n, w którym prąd płynie od drenu do źródła.

W tranzystorach MOSFET bramka jest odizolowana od kanału warstwą dielektryka, a w tranzystorach złączowych (JFET) spolaryzowanym w kierunku zaporowym złączem p-n.

W tranzystorach MOSFET z kanałem wzbogacanym gdy napięcie między bramką a źródłem jest równe zeru, rezystancja kanału jest bardzo duża - kanał jest zatkany, prąd dren-źródło nie płynie. Przy pewnej wartości napięcia kanał otwiera się i w obwodzie dren-źródło możliwy jest przepływ prądu. Wraz ze wzrostem napięcia rezystancja między drenem a źródłem spada do pewnej minimalnej wartości (RDSon). Wartość tej rezystancji zależy od maksymalnego napięcia dren-źródło, które nie niszczy tranzystora. Kanał staje się otwarty, gdy prąd płynący przez kanał osiągnie wartość maksymalną dla danego napięcia dren-źródło.

W tranzystorach JFET kanałem, przez który płynie prąd (nośniki większościowe - dziury w tranzystorach z kanałem typu P, elektrony w tranzystorach z kanałem typu N) jest obszar półprzewodnika występującym między drenem i źródłem. Jego rezystancję można zmieniać poprzez zmianę przekroju kanału, co osiąga się rozszerzając/zwężając warstwę zaporową złącza pn, (przez zmianę napięcia bramka-źródło polaryzującego złącze zaporowo). Gdy napięcie bramka-źródło jest równe zero, wówczas prąd płynie bez przeszkód - prąd dla danego napięcia dren-źródło osiąga wartość maksymalną. Wzrost napięcia bramka-źródło powoduje, że warstwy zaporowe łączą się i kanał zostaje zamknięty - jego rezystancja osiągnie bardzo dużą wartość (stan nasycenia), prąd dren-źródło zostaje ograniczony. Tranzystor przestaje przewodzić.