Tranzistory

Součástka, bez níž by se dnešní mobil nevešel ani do místnosti, začala jako kousek krystalu, zlatá fólie a ohnutá kancelářská sponka. Když ji 16. prosince 1947 dva fyzikové poprvé zapojili, slabý elektrický signál se na výstupu objevil zesílený.

John Bardeen a Walter Brattain v Bellových laboratořích hledali náhradu za rozměrné, křehké a energeticky náročné elektronky používané v telefonní technice. Jejich první hrotový tranzistor vypadal spíše jako provizorní školní pokus než jako vynález, který později umožnil vznik kapesních rádií, počítačů, mobilních telefonů i internetu.

První hrotový tranzistor z Bellových laboratoří
První hrotový tranzistor z roku 1947. Dva velmi blízké zlaté kontakty se dotýkaly krystalu germania. Kliknutím obrázek zvětšíte. Foto: Windell Oskay, CC BY 2.0, Wikimedia Commons.

O několik dní později byl tranzistor předveden vedení laboratoří jako zesilovač řeči. Nová součástka měla na rozdíl od diody tři vývody. Právě třetí vývod umožňoval malým proudem v jedné části zapojení ovládat mnohem větší proud v jiné části. Tranzistor přitom žádnou energii nevytvářel: větší proud dodával samostatný zdroj v řízeném obvodu. Stejný princip dnes využívají zesilovače i digitální obvody.

Jak může nepatrný proud rozhodnout, zda jinou částí obvodu poteče proud mnohonásobně větší?

Co je tranzistor?

Tranzistor je polovodičová součástka se třemi vývody. Dokáže zesilovat elektrický signál nebo pracovat jako velmi rychlý spínač. V této kapitole budeme sledovat bipolární tranzistor, jehož krystal obsahuje dvě PN rozhraní.

N–P–NP–N–P

Báze (B)

Velmi tenká střední oblast. Malý proud báze řídí činnost tranzistoru.

Kolektor (C)

Vývod, kterým u běžného NPN zapojení přitéká řízený proud.

Emitor (E)

Silně dotovaná oblast, z níž jsou do báze přiváděny nositele náboje.

NPNPNP NPNPNP kolektor Cbáze Bemitor Eemitor Ebáze Bkolektor C
Schéma zdůrazňuje pouze pořadí oblastí. Ve skutečném tranzistoru nejsou všechny tři oblasti stejně velké ani stejně dotované.
Proč nestačí představit si tranzistor jako dvě diody?

Dvě diody zapojené proti sobě sice připomínají dvě PN rozhraní, ale tranzistor z nich nevznikne. Jeho báze musí být mimořádně tenká a obě rozhraní jsou součástí jediného krystalu. Díky tomu většina nositelů vstříknutých emitorem projde bází až ke kolektoru. U dvou samostatných diod taková vazba chybí.

Princip tranzistoru

Na schématu jsou dva obvody propojené tranzistorem. Každý má vlastní zdroj, takže je užitečné sledovat je nejprve odděleně.

  1. Bázový obvod je vlevo. Malý zdroj vytváří proud IB, který prochází rezistorem, ampérmetrem, bází a emitorem. Rezistor proud omezuje, aby se nepoškodil přechod báze–emitor.
  2. Kolektorový obvod je vpravo. Jeho zdroj vytváří proud IC, který prochází spotřebičem, ampérmetrem, kolektorem a emitorem. Právě tento zdroj dodává spotřebiči energii.

Nejprve si představme, že bázovým obvodem proud neteče. Tranzistor je téměř uzavřený, takže téměř žádný proud neprochází ani kolektorovým obvodem. Spotřebič je vypnutý.

Jakmile bází začne procházet malý proud IB, tranzistor se začne otevírat. Kolektorovým obvodem pak může procházet podstatně větší proud IC. Bázový proud tedy nenapájí spotřebič; pouze řídí proud, jehož energii dodává zdroj kolektorového obvodu.

Oba proudy opouštějí tranzistor společně emitorem. Ampérmetr v emitorové větvi proto změří jejich součet:

IE = IC + IB

Dokud tranzistor pracuje jako zesilovač v aktivní oblasti, lze přibližně psát IC = βIB, kde β je proudový zesilovací činitel. Například při β = 100 může změna proudu báze o 0,1 mA vyvolat změnu proudu kolektoru přibližně o 10 mA. Hodnota β však není přesná konstanta: liší se mezi součástkami a závisí také na proudu a teplotě.

Co se stane při úplném sepnutí? Kolektorový proud nemůže růst neomezeně. Jakmile dosáhne největší hodnoty, kterou dovolují zdroj, spotřebič a odpor kolektorového obvodu, je tranzistor v saturaci. Další zvětšování IB už téměř nezvětší IC. Proto vztah IC = βIB platí přibližně jen v aktivní oblasti, nikoli pro tranzistor použitý jako úplně sepnutý spínač.

Model: malý proud řídí velký

0,18 mA
ABAC CBERC / spotřebičRBmalý zdrojvelký zdrojICIBIE bázový obvodkolektorový obvod
proud báze0,18 mA
proud kolektoru18,0 mA
modelové β100
SATURACE

Tranzistor zesiluje: změny proudu báze se projeví většími změnami proudu kolektoru.

Jde o zjednodušený model s omezením kolektorového proudu na 60 mA. Skutečný proud určuje také napájecí napětí, spotřebič, rezistory a parametry konkrétního tranzistoru.

Co se uvnitř NPN tranzistoru děje?

Přechod báze–emitor je zapojen v propustném směru, a proto emitor vstřikuje elektrony do velmi tenké báze. Jen malá část elektronů v bázi zrekombinuje; právě s tím souvisí proud báze. Většinu elektronů elektrické pole přechodu báze–kolektor strhne do kolektoru, protože tento přechod je zapojen v závěrném směru. Malá změna podmínek v bázi tak ovládá mnohem větší kolektorový proud.

Zesilovač a spínač

RežimCo tranzistor děláKonkrétní použití
ZesilováníPracuje v aktivní oblasti. Malé změny vstupního signálu vyvolají větší změny proudu nebo napětí ve výstupním obvodu.Mikrofonní předzesilovač, snímač, rádiový přijímač.
RozepnutoProud báze je zanedbatelný, a proto je zanedbatelný i proud kolektoru.Digitální nula; vypnutá LED, relé nebo motor.
SepnutoTranzistor je v saturaci. Další růst proudu báze už téměř nezvětšuje proud kolektoru.Digitální jednička; ovládání LED, relé či motoru.
Zesílení neznamená vznik energie. Slabý vstupní signál pouze řídí tok energie z napájecího zdroje do spotřebiče. Podobně slabý pohyb prstu na kohoutku může řídit mnohem větší proud vody, ale vodu ani její energii nevytváří.
Proč počítače potřebují právě spínače?

Dvě dobře rozlišitelné oblasti – vypnuto a zapnuto – lze přiřadit číslicím 0 a 1. Spojením velkého počtu tranzistorových spínačů vznikají logická hradla, paměti a procesory. Přechod mezi stavy může probíhat miliardkrát za sekundu.

Experiment: dotykem rozsviťte LED

Zapojte NPN tranzistor jako spínač. LED s ochranným rezistorem vložte do kolektorového obvodu. Do báze připojte rezistor přibližně 100 kΩ až 1 MΩ a jeho volného konce se dotkněte prstem; druhým prstem se dotkněte kladného pólu nízkonapěťového zdroje. Velmi malý proud procházející pokožkou může otevřít tranzistor a rozsvítit LED.

  • Pomůcky: NPN tranzistor (např. BC547 nebo 2N3904), LED, rezistor 330 Ω až 1 kΩ, rezistor 100 kΩ až 1 MΩ, nepájivé pole a zdroj 3–5 V.
  • Zkoumejte: co se změní při navlhčení prstů, při použití jiného bázového rezistoru nebo při spojení dvou tranzistorů do Darlingtonova zapojení?
  • Vysvětlete: proč LED svítí energií ze zdroje, nikoli energií dodanou prstem?
Pozor na vývody: pořadí C–B–E není u všech pouzder stejné. Vždy je ověřte v katalogovém listu konkrétního typu. LED musí mít sériový rezistor a nepřekračujte povolené proudy tranzistoru.
Poznámka pro učitele

Před experimentem nechte žáky změřit proud báze a kolektoru. Poměr IC/IB pak mohou porovnat mezi skupinami. Rozptyl výsledků je vhodnou příležitostí ukázat, že β není univerzální konstanta součástky. Pro názornější spínání lze bázi připojovat přes rezistor tlačítkem.

Od prvního tranzistoru k mikročipu

První funkční hrotový tranzistor sestrojili Bardeen a Brattain v prosinci 1947 v týmu vedeném Williamem Shockleym. V červnu 1948 Bellovy laboratoře vynález veřejně představily a Shockley brzy navrhl praktičtější přechodový tranzistor. Roku 1956 získali všichni tři Nobelovu cenu za výzkum polovodičů a objev tranzistorového jevu.

Proč nahradil elektronku?

Tranzistor může být menší, odolnější a úspornější, nepotřebuje žhavení a po zapnutí pracuje okamžitě.

Proč umožnil čipy?

Tranzistory lze vyrábět společně s vodiči a dalšími prvky na jediném kousku polovodiče. Tím vznikl integrovaný obvod.

Historická přesnost: kdo tranzistor skutečně vynalezl?

Bardeen a Brattain vytvořili první funkční hrotový tranzistor a experimentálně prokázali zesílení. Shockley vedl skupinu a následně formuloval teorii i návrh přechodového bipolárního tranzistoru, který se podobal pozdějším praktickým součástkám. Nobelova cena proto ocenila všechny tři „za výzkumy polovodičů a objev tranzistorového jevu“.

Kontrolní otázky

1. Jaké jsou tři vývody bipolárního tranzistoru?
Zobrazit odpověď

Báze B, kolektor C a emitor E.

2. Proč proud kolektoru není energií vytvořenou proudem báze?
Zobrazit odpověď

Energii kolektorovému obvodu dodává jeho napájecí zdroj. Proud báze pouze mění stav tranzistoru a tím řídí, kolik energie zdroj spotřebiči předá.

3. Platí vztah IC = βIB i pro tranzistor použitý jako úplně sepnutý spínač?
Zobrazit odpověď

Ne. Tento přibližný vztah popisuje aktivní oblast. V saturaci omezuje kolektorový proud především vnější obvod a další zvýšení proudu báze jej téměř nezvětší.

4. Proč nelze nahradit tranzistor dvěma samostatnými diodami?
Zobrazit odpověď

Tranzistor vyžaduje velmi tenkou společnou bázi v jediném krystalu, aby nositele z emitoru mohly projít k přechodu kolektoru. Dvě samostatné diody tuto vazbu nemají.

Časté omyly

  • „Báze dodává proud do spotřebiče.“ Báze řídí kolektorový proud; jeho energii dodává zdroj kolektorového obvodu.
  • „Tranzistor vždy zesiluje přesně βkrát.“ β není přesná konstanta a při saturaci vztah neplatí.
  • „NPN a PNP se liší jen směrem šipky.“ Mají opačné typy polovodičových oblastí, polarity napájení i směry konvenčních proudů.
  • „Proud teče kolektorem a emitorem stejně.“ Přesněji platí IE = IC + IB; proud báze bývá pouze mnohem menší.
  • „Každý tranzistor má stejné pořadí nožiček.“ Zapojení vývodů závisí na typu a pouzdru.

Česko-anglický slovníček

tranzistor
transistor
bipolární tranzistor
bipolar junction transistor (BJT)
báze
base
kolektor
collector
emitor
emitter
proudový zesilovací činitel
current gain
zesilovač
amplifier
spínač
switch
aktivní oblast
active region
saturace
saturation
rozepnutý stav
cut-off
integrovaný obvod
integrated circuit