Teoretické princípy
Tranzistory (ďalej len tranzistory) sú rozdelené do dvoch typov na základe materiálu: germániové tranzistory a kremíkové tranzistory. Každý typ má dve štrukturálne formy: NPN a PNP. Najčastejšie sa však používajú kremíkové NPN a germániové PNP tranzistory. (Kde N znamená záporný náboj; Polovodiče typu N- sa vyrábajú pridaním fosforu do kremíka s vysokou-čistotou, aby sa nahradili niektoré atómy kremíka, pričom sa generujú voľné elektróny na vedenie elektriny pri stimulácii napätia. P znamená kladný náboj; pridáva sa bór, aby sa nahradil kremík, čím sa generuje veľký počet otvorov na uľahčenie rovnakého prívodu energie. Okrem toho funguje rozdiel v ich práci.) Nasleduje iba predstavenie súčasného princípu zosilnenia NPN kremíkových tranzistorov.
V prípade tranzistora NPN sa skladá z dvoch polovodičov typu N-, do ktorých je vložený polovodič typu P-. PN prechod vytvorený medzi oblasťou emitora a bázy sa nazýva prechod emitoru a prechod PN vytvorený medzi oblasťami kolektora a bázy sa nazýva kolektorový prechod. Tieto tri vodiče sa nazývajú emitor (e), báza (b) a kolektor (c).
Keď je potenciál v bode b o niekoľko desatín voltu vyšší ako potenciál v bode e, prechod emitora je predpätý. Naopak, keď je potenciál v bode C o niekoľko voltov vyšší ako potenciál v bode b, kolektorový spoj je spätne predpätý. Preto napájanie kolektora Ec musí byť vyššie ako základné napájanie Eb.
Pri výrobe tranzistorov je koncentrácia väčšinového nosiča v oblasti emitora zámerne väčšia ako v základnej oblasti. Súčasne je základná oblasť vyrobená veľmi tenká a obsah nečistôt je prísne kontrolovaný. Akonáhle je teda aplikovaný výkon, v dôsledku predpätia emitorového prechodu, väčšinové nosiče (elektróny) v emitorovej oblasti a väčšinové nosné (diery) v základnej oblasti ľahko navzájom difundujú cez emitorový prechod. Avšak, pretože koncentrácia elektrónov je podstatne väčšia ako koncentrácia dier, prúd cez prechod emitoru je primárne tok elektrónov; tento tok elektrónov sa nazýva prúd emitorových elektrónov.
Pretože oblasť bázy je veľmi tenká a v dôsledku opačného predpätia kolektorového prechodu, väčšina elektrónov vstreknutých do základnej oblasti prekročí kolektorový prechod a vstúpi do kolektorovej oblasti, pričom vytvorí kolektorový prúd Icn. Len malý počet (1-10%) elektrónov sa rekombinuje s dierami v základnej oblasti. Diery stratené rekombináciou sú doplnené základným zdrojom Eb, čím sa vytvorí základný prúd Ibn. Podľa princípu kontinuity prúdu:
T.j.=Ib + Ic
To znamená, že pridaním veľmi malého Ib k základni možno na kolektore získať väčšie Ic. Ide o takzvaný -aktuálny efekt zosilnenia. Ic a Ib zachovávajú určitý proporcionálny vzťah, tj:
1=Ic/Ib
Kde: 1 -- nazývaný DC amplifikačný faktor,
Pomer zmeny kolektorového prúdu ΔIc k zmene základného prúdu ΔIb je:
= △Ic/△Ib V tomto vzorci sa nazýva AC prúdový zosilňovací faktor. Keďže hodnoty 1 a nie sú výrazne odlišné pri nízkych frekvenciách, niekedy nie sú pre pohodlie striktne rozlíšené a hodnota je približne desiatky až vyše sto.
1=Ic/Ie (Ic a Ie sú veľkosti prúdu v ceste jednosmerného prúdu)
V tomto vzorci: 1 sa tiež nazýva jednosmerný zosilňovací faktor, ktorý sa všeobecne používa v bežných-obvodoch základného zosilňovača a opisuje vzťah medzi prúdom emitora a prúdom kolektora.
=△Ic/△Ie
V tomto výraze je AC spoločný-základný faktor zosilnenia prúdu. Podobne a 1 sa výrazne nelíšia pri malých vstupoch signálu.
Medzi dvoma zosilňovacími faktormi, ktoré opisujú súčasné vzťahy, existuje nasledujúci vzťah:
Účinok zosilnenia prúdu tranzistora v skutočnosti využíva malú zmenu základného prúdu na riadenie väčšej zmeny kolektorového prúdu.
Tranzistor je zariadenie na zosilnenie prúdu, ale v praktických aplikáciách sa rezistor často používa na premenu účinku zosilnenia prúdu tranzistora na účinok zosilnenia napätia.
Princíp zosilnenia
1. Emisia elektrónov z žiariča do bázy
Napájací zdroj Ub sa privádza do emitorového prechodu cez odpor Rb, ktorý posúva prechod emitoru dopredu-. Väčšinové nosiče (voľné elektróny) v oblasti emitora nepretržite prechádzajú cez prechod emitora do oblasti bázy, pričom tvoria emitorový prúd Ie. Súčasne väčšina nosičov v základnej oblasti tiež difunduje do oblasti emitora. Pretože je však koncentrácia väčšinového nosiča oveľa nižšia ako koncentrácia v oblasti emitora, tento prúd sa môže ignorovať. Emitorový prechod možno preto považovať predovšetkým za tok elektrónov.
2. Elektrónová difúzia a rekombinácia v základnej oblasti
Po vstupe do základnej oblasti sa elektróny spočiatku koncentrujú v blízkosti emitorového prechodu a postupne vytvárajú gradient koncentrácie elektrónov. Vplyvom tohto gradientu prúd elektrónov difunduje z oblasti bázy smerom ku kolektorovému prechodu, kde je elektrickým poľom kolektorového prechodu vťahovaný do kolektorovej oblasti, čím vzniká kolektorový prúd Ic. Malá časť elektrónov (v dôsledku tenkej základnej oblasti) sa rekombinuje s otvormi v základnej oblasti. Pomer toku difúznych elektrónov k toku rekombinačných elektrónov určuje zosilňovaciu schopnosť tranzistora.
3. Zber elektrónov v kolektorovej oblasti
Kvôli veľkému spätnému napätiu aplikovanému na kolektorový prechod elektrické pole generované týmto spätným napätím zabráni elektrónom v difúzii z kolektorovej oblasti do základnej oblasti. Súčasne bude ťahať elektróny, ktoré difundovali do blízkosti kolektorového prechodu, do kolektorovej oblasti, čím sa vytvorí hlavný kolektorový prúd Icn. Okrem toho menšinové nosiče (otvory) v oblasti kolektora budú tiež smerovať k základnej oblasti, čím sa vytvorí reverzný saturačný prúd, označený Icbo. Jeho hodnota je veľmi malá, no je mimoriadne citlivý na teplotu.
