Teorie
Tranzistor
Podstata funkce tranzistoru (z anglických slov TRANSfer resISTOR) je naznačena už v jeho názvu - transformace odporu. Jeho objev v roce 1947 znamenal převrat v elektronice a všech oborech s ní souvisejících. Podle toho, které nosiče náboje se zúčastňují vedení proudu tranzistorem, rozlišujeme tranzistory:
bipolární, jejichž podstatou činnosti je řízená injekce minoritních nosičů emitorem do oblasti báze a následná extrakce těchto nosičů kolektorem, přičemž vedení proudu se zúčastňují oba nosiče náboje - elektrony a díry
unipolární, jejichž princip činnosti je založen na ovlivňování vodivého kanálu mezi emitorem a kolektorem příčným elektrickým polem (Field Effect Transistor - FET), přičemž vedení proudu v kanálu je uskutečňováno prostřednictvím jednoho typu nosiče náboje (kanál N - elektrony, kanál P - díry).
Bipolární tranzistor
Bipolární tranzistor je elektronická součástka tvořená třemi oblastmi polovodiče s různým typem vodivosti v uspořádání NPN nebo PNP, které vytvářejí dvojici přechodů PN. Tranzistor má tři elektrody, a to bázi (slouží k řízení tranzistoru), kolektor a emitor. Báze je oproti ostatním elektrodám mnohem tenčí (až 100 krát). Emitor je oproti kolektoru, který má stejný typ vodivosti více dotován. Tranzistor se používá jako zesilovač signálu nebo jako spínač. Je též součástí mnoha jiných zařízení, jako jsou například logické obvody. Ve složitých integrovaných obvodech však převládá používání unipolárních tranzistorů.
Tranzistorový jev
Schopnost tranzistor zesilovat výkon je nazvána tzv. tranzistorovým jevem, který je základní vlastností tranzistoru. Po přivedení kladného napětí na kolektor a záporného na emitor tranzistorem prochází pouze velmi malý proud v řádu nanoampér (Tento proud roste s teplotou). Aby tranzistorem procházel větší proud, musí se na bázi přes rezistor přivést kladné napětí. Tím dojde k otevření přechodu báze - emitor (musím na něm být napětí alespoň 0,7 V). U tranzistoru NPN do báze teče proud děr. Jelikož je báze velmi tenká, rychle se děrami zaplní a z emitoru do ní začnou téct elektrony. Některé postupují ke kladnému pólu zdroje přes bázi, ale většina je přitažena kladným napětím na kolektoru a tranzistorem tak začne procházet kolektorový proud, který je mnohonásobně větší, než proud báze.
Čím větší bude bázový proud, tím větší bude i proud kolektorový. Toto lze vysvětlit tak, že s rostoucím proudem báze roste i počet volných nosičů náboje a tím klesá odpor tranzistoru, což má za následek růst kolektorového proudu a zároveň pokles napětí mezi kolektorem a emitorem. Poklesne-li toto napětí na úroveň několika desetin voltu, říkáme, že tranzistor je saturován. V tomto stavu jím prochází i poměrně velký proud, a to se zanedbatelnou výkonovou ztrátou. Stavu saturace se využívá, pokud tranzistor pracuje jako spínač. Jestliže budeme při konstantním proudu báze zvyšovat napětí mezi kolektorem a emitorem, bude kolektorový proud zpočátku rychle růst a nakonec se ustálí na téměř konstantní hodnotě a tranzistor se začne chovat jako zdroj konstantního proudu (viz výstupní charakteristika).
Grafické znázornění charakteristik
V prvním kvadrantu sítě charakteristik jsou zakresleny tzv. výstupní charakteristiky. S růstem bázového proudu roste i velikost výstupního kolektorového proudu.
Strmost tzv. proudové převodní charakteristiky ve druhém kvadrantu udává proudový zesilovací činitel β.
Ve třetím kvadrantu je znázorněna tzv. vstupní charakteristika. Závislost vstupní charakteristiky na napětí UCE je zanedbatelná, proto se často vstupní charakteristika udává pro jedinou hodnotu UCE.
Grafická závislost vstupního napětí na výstupním je znázorněna ve čtvrtém kvadrantu formou tzv. zpětné napěťové převodní charakteristiky pro různé hodnoty bázového proudu.
Charakteristiky bipolárního tranzistoru
Vstupní charakteristika
Vstupní charakteristiky udávají závislost bázového proudu na napětí mezi bází a emitorem. Udávají se pro určité napětí mezi kolektorem a emitorem. Jejich tvar odpovídá voltampérové charakteristice diody, neboť měříme napětí a proud v jednom PN přechodu.
Z těchto charakteristik lze určit parametr h11, což je vstupní odpor
Výstupní (kolektorová) charakteristika
Výstupní charakteristiky udávají závislost kolektorového proudu na napětí mezi kolektorem a emitorem, a to při konstantním proudu báze. S rostoucím proudem báze roste maximální dosažitelný kolektorový proud, protože proud báze ovlivňuje odpor celého tranzistoru.
Z těchto charakteristik lze určit parametr h22, což je výstupní vodivost.
Převodní (proudová) charakteristika
Převodní charakteristika udávají závislost kolektorového proudu na proudu bázovém. Udává se pro určité napětí mezi kolektorem a emitorem. Pomocí této charakteristiky můžeme určit parametr h21 (též ozn. β), což je součinitel proudového zesílení.
Proudový zesilovací činitel
Proudový zesilovací činitel h21 (resp. β) je definován jako poměr změny kolektorového proudu ke změně bázového proudu při výstupu nakrátko, tedy při nulové změně napětí UCE.
Zpětné charakteristiky
Tyto charakteristiky udávají závislost napětí mezi bází a emitorem na napětí mezi kolektorem a emitorem, a to při určitém bázovém proudu. Popisují tedy zpětný přenos napětí z výstupu na vstup. Z těchto charakteristik lze určit hybridní parametr h12, což je zpětný napěťový přenos.
Zpětné charakteristiky se zpravidla neměří, ale konstruují na základě charakteristiky vstupní.
