3.  TRANZISTOR - NELINEÁRNY DVOJBRAN

Súhrn

              Bipolárny tranzistor (BT) pozostáva z 2 PN prechodov, ku ktorým sú pripojené elektródy: emitor (E), báza (B) a kolektor (C). Princíp činnosti BT je založený na injektovaní nosičov náboja v jednom PN prechode  a na zbere nosičov náboja na druhom PN prechode. Pritom pre majoritné nosiče náboja je PN prechod medzi emitorom a bázou polarizovaný vodivo a PN prechod medzi  bázou a kolektorom  polarizovaný nevodivo. V tranzistore malý bázový prúd ovláda oveľa väčší kolektorový prúd. BT sa vyrába v kremíkovom alebo germániovom prevedení a môže byť PNP alebo NPN typu. Pracovný bod tranzistora sa volí v strednej časti výstupnej charakteristiky, ak bude mať signál striedave sa meniacu amplitúdu. Zmenšením napätia U_B možno nastaviť prúd I_B ~0 a cez tranzistor prestane tiecť kolektorový prúd I_C ~0. V tomto tzv nevodivom stave je na kolektore napätie U_CE ~U_cc . Po dosiahnutí dostatočne veľkého prúdu I_B >I_Bs už nemôže ďalej vzrastať prúd I_C ~U_cc /R_C , lebo ho ohraničuje odpor R _C . Na tranzistore je kolektorové napätie U_CEsat   veľmi nízke a  - tranzistor sa nachádza v "neovládateľnom" nasýtenom (saturovanom) stave. 
              V okolí pracovného bodu, nastaveného pomocou jednosmerného prúdu I_B a I_C , možno považovať tranzistor za lineárny dvojbran , ktorého vlastnosti charakterizujú diferenciálne  parametre:

• Prúdový zosilňovací činiteľ β₀ =ΔI_C /ΔI_B v zapojení so spoločným emitorom (SE) v tzv. stave nakrátko, teda pri záťaži v obvode kolektora R_C =0. Na základe takejto definície možno určiť hornú hraničnú frekvenciu tranzistora f₀   závisiacu len od medzielektródovývh kapacít.
• Strmosť gm=ΔI_C /ΔU_BE . Pre praktické použitie na určenie využíva závislosť g_m [S]~0,04.I_C [mA] od nastavenia pracovného režimu, reprezentovaného jednosmerným prúdom cez kolektor I_C .
• Vstupný odpor r_BE =r_π =ΔU_BE /ΔI_B .
• Výstupný odpor r_CE =ΔU_CE /ΔI_C , na základe nízkeho sklonu výstupnej charakteristiky väčšinou 1/r_CE  ~ 0.

              Na  základe týchto parametrov možno, pre oblasť stredných frekvencii, t.j. v okolí 1 kHz , skonštruovať nízkofrekvenčný (nf) náhradný obvod  pre malú amplitudu signálu. Má dve modifikácie - v tvare prúdového zdroja I_c=β₀ I_b , ovládaného bázovým prúdom I_b , resp. v tvare prúdového zdroja I_c=g_m U_π , ovládaného napätím na vstupe U_π .  Tieto dve  modifikácie prúdového zdroja sú rovnocenné, nakoľko g_m=β₀ /r_π  , a sú použiteľné pre bipolárny a aj unipolárny tranzistor.
              Pre oblasť vysokých frekvencii treba doplniť predošlý nf náhradný obvod o medzielektródové kapacity, pomocou ktorých, pri R_C =0, je zadefinovaný prenos prúdu β(ω) v zapojení so spoločným emitorom:

• C_μ kapacitu PN prechodu kolektor-báza, polarizovaného v závernom smere;
• C_π kapacitu PN prechodu báza-emitor. Táto kapacita charakterizuje rýchlosť difúzie minoritných nosičov náboja cez oblasť bázy tranzistora. Kapacita C_μ lineárne závisí od prúdu cez tranzistor.

              Samozrejme v praktických zapojeniach zosilňovačov sa nepoužíva stav nakrátko s R_C=0, pomocou ktorého bol zadefinovaný prúdový zosilňovací činiteľ β₀ v zapojení so spoločným emitorom. V dôsledku pripojenia odporu R_C ≠0 v reálnom zosilňovači má tranzistor napäťový zisk A_u , ale sa zníži horná hraničná frekvencia tranzistora  f_hβ < f_β .
               Popísaný jav sa nazýva Millerov jav a fiktívna kapacita Millerova kapacita C_M=C_π+C_μ(A_u+1), ktorá ako keby pôsobila na vstupe tranzistora. Vplyv  Millerovej kapacity sa prejavuje tým výraznejšie čím je väčší napäťový zisk A_u. Na potlačenie Millerovho javu sa používajú iné zapojenia ako SE – tranzistor v zapojení SB alebo SK alebo rôzne kombinované spojenia tranzistorov, z ktorých jeden je v zpojení SB alebo SK, u ktorých sa menej prejavuje Millerov jav.
              Medzi najdôležitejšie základné zapojenia, ktoré sa používajú v analógových integrovaných obvodoch, patrí  symetrický zosilňovač malých rozdielov jednosmerných alebo striedavých napätí - diferenčný zosilňovač. Je to v základnom variante  zosilňovač s emitorove viazanými tranzistormi - s 2 vstupmi a 2 výstupmi.
              Zjednodušená modifikácia diferenčného zosilňovača s jedným výstupom, ktorá sa často používa vo vysokofrekvenčných obvodoch, sa nazýva sa zosilňovač s emitorovo viazanými tranzistormi. Je to symetrický zosilňovač s dvoma vstupmi a výstupom. Malý napäťový zisk pre súhlasný signál je výhodná vlastnosť zosilňovačov s emitorove viazanými tranzistormi, nakoľko rôzne poruchy z vonkajšieho prostredia, zmeny teploty alebo šum  pristupujú k obom vstupom zosilňovača voči zemi rovnako. Napäťový zisk pre rozdielový signál   takýchto zosilňovačov je podstatne väčší ako napäťový zisk  pre súhlasný signál.               Parametrom pre posudzovanie kvality zosilňovača rozdielového signálu je súčiniteľ potlačenia súhlasného signálu.
              Operačný zosilňovač (OZ) je diferenčný zosilňovač s veľkým zosilnením . Ideálny OZ má :

• vysoký napäťový zisk A₀ v otvorenej slučke A₀=U₂/U_d. V reálnych zapojeniach sa upravuje  pomocou slučky spätnej väzby na menšiu hodnotu, nezávislú od zisku obvodu  operačného zosilňovača;
• vysoký vstupný odpor ;
• veľmi malý (skoro nulový) výstupný odpor ;
• minimálny drift a nízky šum,
• stály fázový posuv medzi výstupným a vstupným signálom, zabezpečujúci stabilitu zosilnenia.

              Z dôvodov nedokonalej symetrie charakteristík vstupných tranzistorov vzniká napäťová   a prúdová  nesymetria vstupov, ktorú treba vyrovnať pomocou vonkajšej kompenzácie.
               Záporná spätná väzba privádza na vstup časť signálu z výstupu, ktorá potom pôsobí proti pôvodnému vstupnému signálu. Vo svojom dôsledku tak zmenšuje výstupnú amplitúdu signálu a tým aj zisk zosilňovača. Rozširuje však šírku frekvenčného pásma zosilňovača ale hlavne umožňuje podľa potreby prispôsobiť vstupný a výstupný odpor zosilňovača. Zvláštnym prípadom neinvertujúceho zosilňovača je napäťový sledovač, ktorý má napäťový zisk A_u~1, veľmi vysoký vstupný odpor. a nízky výstupný odpor.               Zaujímaný je aj integračný zosilňovač,  ktorý vznikne ak sa v  invertujúcom zosilňovači zamení spätnoväzobný odpor R_sv  na kondenzátor C. Integračný zosilňovač, ako tzv.  nábojový zosilňovač,  sa používa pri zosilňovaní krátkych prúdových impulzov  z detektorov a ich konvertovaní – integrácii na  náboj , obsiahnutý v prúdovom impulze, ktorý je úmerný energii, odovzdanej časticou alebo kvantom citlivému objemu detektora. Operačný zosilňovač bez spätnej väzby sa používa ako amplitúdový komparátor vo funkcii rozhodovacieho obvodu amplitúdového diskriminátora na oddelenie impulzov z rôznou amplitúdou.
              V bipolárnom tranzistore sa vyskytujú 2 PN prechody: jeden vodivo a druhý nevodivo polarizovaný. V každej časti tranzistora existujú majoritné a minoritné nosiče náboja.  Na rozdiel od bipolárnych tranzistorov, v ktorých hlavný prúd preteká cez rozhrania medzi polovodičovými materialmi s dotáciou N a P a je ovládaný pomocou prúdu bázy, v unipolárnych tranzistoroch putujú náboje len jedným typom materiálu, podľa prevedenia buď N alebo P, a  prúd medzi emitorom a kolektorom sa ovláda  pomocou napätia medzi riadiacou elektródou a emitorom.
              Podľa spôsobu ovládania  sa tieto tranzistory tiež nazývajú tranzistory ovládané elektrickým poľom (FET). Pretože cez riadiacu elektródu neprechádza prakticky žiaden prúd majú FET vysoký vstupný odpor.
              Názov unipolárny vystihuje inú podstatu činnosti tohto tranzistora a to, že pozostáva z polovodičového kryštálu z jedným typom nosičov náboja, cez ktorý prechádza prúd týchto nosičov náboja, ovládaný pomocou hradlovacej elektródy G alebo inými slovami vodivosť kanála medzi emitorom S a kolektorom D v tomto polovodiči je jedného  typu : typu N alebo typu P. U unipolárnych tranzistorov je zaužívané označovať kolektor ako D, emitor ako S a hradlo ako G, na rozdiel od zaužívaného C, E, a B pre bipolárne tranzistory. (Symboly pre označenie elektród FET pochádzajú z anglických slov S-source, D-drain a G-gate). Pre prúd elektrónov cez  N kanál musí byť kladnejší kolektor ako emitor, takže z hľadiska pripojenia polarity napájacieho zdroja je FET s kanálom N podobný BT typu NPN.
              Existujú dva základné typy unipolárnych tranzistorov:

• JFET -  unipolárny tranzistor s ovládacou elektódou oddelenou PN prechodom (anglicky junction);
• MOSFET – -  unipolárny tranzistor s ovládacou elektródou oddelenou izolačnou vrstvou SiO₂ (anglicky metal - oxid - semiconductor). Tieto tranzistory sa niekedy nazývajú aj IGFET (s anglického IG - insulated gate)

              Náhradné obvody FET sú obdobné ako u BT až na vysoký vstupný odpor r_π≈∞ FET a spôsob ovládania, nakoľko prúd I_D sa ovláda napätím na hradle U_GS= U_π tak, ako v neautonómnom zdroji ovládanom napätím U_GS=U_π. V JFET je pri U_GS=0 kanál najširší, bez ochudobnenej oblasti, a kolektorový prúd je najväčší I_D=I_dss. Pri závernom napätí U_GS=U_T vodivosť kanála „sa odstrihne“ a kolektorový prúd I_D~0. Ak je U_GS<U_T kolektorový prúd netečie. Sklon prevodovej charakteristiky v okolí pracovného bodu (v aktívnej oblasti  pri prúde I_D a napätí U_DS~U_dd/2) charakterizuje strmosť g_m=ΔI_D/ΔU_GS. Od strmosti gm závisí napäťový zisk zosilňovača.
              V JFET vždy existuje veľmi malý zvodový prúd (niekoľko nA) záverne polarizovaného PN prechodu. V MOSFET je ovládacia elektróda odizolovaná vrstvičkou SiO₂ a ovládanie prúdu sa uskutočňuje len pôsobením elektrického poľa , v dôsledku čoho je vstupný odpor ~10¹⁴Ω. Ovládacia elektróda G je galvanicky oddelená od obvodu emitor – kolektor, takže môže mať voči emitorou ľubovolnú polaritu napätia.                Tento fakt umožňuje zhotoviť dve modifikácie MOSFET:

• s technologicky vytvorenou vodivou cestou - vodivým kanálom, kde pri ovládacom napätí U_GS=0 tečie určitý prúd I_D.  So zmenou Ugs možno meniť vodivosť kanála zväčšovať a aj zmenšovať.
• s nevodivým kanálom, kde sa po dosiahnutí napätie U_GS>U_T  indukciou vytvorí vodivý kanál.

              Pri nízkom napätí U_DS sa FET chová ako lineárny odpor R_DS =1/ g_m.  Táto vlastnosť sa zachováva aj pre opačnú polaritu kolektorového prúdu, takže FET môže byť pre obe polarity U_DS, malej amplitúdy, použitý ako odpor, ovládaný napätím. FET a predovšetkým MOSFET sa veľmi často používa ako analógový spínač.