Bipolär transistor

Den här artikeln behöver källhänvisningar för att kunna verifieras. (2019-11)
Åtgärda genom att lägga till pålitliga källor (gärna som fotnoter). Uppgifter utan källhänvisning kan ifrågasättas och tas bort utan att det behöver diskuteras på diskussionssidan.

Uppslagsordet ”PNP” leder hit. För den tyska dagstidningen, se Passauer Neue Presse.

En bipolär transistor är en trepolig halvledar-komponent som kan betraktas som en styrbar strömventil. Strömmen som kan styras är en likström vilket innebär att styrbarheten inskränker sig till att öka eller minska en ström, det går inte alltså att påverka dess riktning. Den bipolära transistorn består av två pn-övergångar där respektive övergång kan vara förspänd i fram- eller backriktning och på så vis ge transistorn fyra olika arbetsomården.

Uppbyggnad


Symbol för bipolär NPN-transistor	Symbol för bipolär PNP-transistor
Transistorn är uppbyggd av tre områden, emittern (E, även markerad med pil), kollektorn (C) och basen (B).

Bipolära transistorer kan förekomma i två polariteter, som kallas NPN och PNP. Bokstaven N står för N-dopat och P står för P-dopat material. I båda polariteterna har emittern och kollektorn samma typ av dopning, och basen har motsatt typ av dopning. Basen ligger mellan emitter och kollektor och skiljer dem åt. För att transistorn ska fungera tillfredsställande måste basskiktet vara tunt; ju tunnare bas desto högre strömförstärkning (β) och gränsfrekvens (f_T).

För att nå hög förstärkning är det viktigt att dopkoncentrationen i emittern är mycket större än dopkoncentrationen i basen. För att öka utgångskonduktansen bör dopkoncentrationen i basen vara högre än dopkoncentrationen i kollektorn.

Funktion - fyra arbetslägen

BE	BC	Arbetsläge
Bak	Bak	STRYPT
Fram	Bak	AKTIV
Bak	Fram	INVERTERAT AKTIV
Fram	Fram	MÄTTAD
Transistorn har fyra arbetslägen beroende på om bas-emitter- (BE) resp. bas-kollektorövergångarna (BC) är i fram- eller backriktning.

Strypt läge

När övergången mellan bas och emitter är backspänd (dvs spänningen mellan terminalerna är mycket mindre än 0,6 V) beter den sig som en backspänd diod. Nästan ingen ström -- förutom en oftast obetydlig läckström på några nanoampere -- flyter då mellan bas och emitter eller kollektor och emitter. Transistorn sägs då vara strypt.

Aktivt läge

I transistorns normala arbetsläge, det aktiva området, är pn-övergången mellan bas och emitter framspänd och pn-övergången mellan bas och kollektor backspänd. Strömmen som flödar genom basen (I_B) styr nu strömmen som flödar genom kollektorn:

I_C = β * I_B

Den s.k. strömförstärkningsfaktorn β kan variera kraftigt mellan ungefär 20 till 1000. Den är dessutom starkt temperaturberoende. En välkonstruerad krets använder sig av olika tekniker, bland annat negativ återkoppling för att minska strömförstärkningens direkta inflytande.

I detalj: Den backspända bas-kollektorövergången gör att koncentrationen av minoritetsladdningsbärare vid den sida av basen som ligger närmast kollektorn är väldigt låg. Samtidigt är koncentrationen väldigt hög vid emitterkanten. Effekten blir en stor koncentrationsgradient i den korta basen vilket ger upphov till en hög diffusionsström från emittern till kollektorn genom basen. Strömmens storlek beror på injektionen från emittern till basen, vilket i sin tur beror på spänningen mellan bas och emitter.

En del av minoritetsladdningsbärarna i basen kommer under diffusionen från emittern till kollektorn att rekombinera med majoritetsladdningsbärarna i basen. Detta ger upphov till en ström i baskontakten. Ytterligare ström i baskontakten kommer av att pn-övergången mellan bas och emitter är framspänd vilket ger att laddningsbärare injiceras från basen till emittern. Sammantagna ger dessa bidrag en ändlig förstärkning i transistorn.

Ström börjar alltså flyta mellan bas-emitterdioden när bas-emitterspänningen U_BE överstiger 0,65–0,7 V. Basströmstyrkan är storleksordningsmässigt 0,5–5 % av emitterströmstyrkan (se h_FE och β nedan), varav följer att kollektorströmstyrkan är 95–99,5 % av emitterströmstyrkan.

Mättat läge

När både BE-övergången och CE-övergången är framspända befinner sig transistorn i mättat eller bottnat läge. Nu fungerar transistorn som en sluten strömbrytare, och mycket ström kan flöda genom kollektorn och emittern. Ett spänningsfall mellan dessa två terminaler finns dock kvar (U_CEsat = 0,2 V; sat från engelska saturation = 'mättnad').

Inverterat aktivt läge

Om man vänder på rollerna hos emittern och kollektorn i det aktiva läget, sägs transistorn vara i inverterat aktivt läge. Som ovan gäller att strömmen genom emittern (som nu tagit rollen som kollektorn tidigare hade) förhåller sig till basströmmen enligt följande:

I_C = β_R * I_B

Den inverterade strömförstärkningsfaktorn β_R är i regel mycket mindre är den ordinarie strömförstärkningsfaktorn β; transistorn är en dålig förstärkare i inverterat läge. Däremot är spänningen U_EC mycket mindre än ens det mättade lägets U_CEsat: så låga värden som några millivolt kan uppnås. Detta gör transistorn till en utmärkt strömbrytare i inverterat läge, och används i denna konfiguration i TTL-logik.

Transistorns viktigaste parametrar

$I_{\mathrm {C} }$ = kollektorströmstyrka, högsta tillåtna värde anges, även $I_{\mathrm {CAV} }$ vid impulsdrift, anges i ampere
$P_{\mathrm {tot} }$ = totala förlusteffekten, produkten av $U_{\mathrm {CE} }$ * $I_{\mathrm {C} }$ +( $U_{\mathrm {BE} }$ * $I_{\mathrm {B} }$ ), anges i watt.
$U_{\mathrm {CBO} }$ , $U_{\mathrm {CEO} }$ = maximalt tillåten spänning kollektor-bas vid öppen emitter resp. maximalt tillåten spänning vid öppen bas, anges i volt
h_FE eller β = strömförstärkningsfaktorn, förhållandet mellan kollektor- och basströmstyrka, saknar dimension.
$f_{\mathrm {T} }$ = transitfrekvensen, dvs den frekvens vid vilken β fallit till 1, anges i hertz.

EKVATIONER FÖR BIPOLÄRA TRANSISTORER
Strömförstärkning	β = ${\frac {I_{\mathrm {C} }}{I_{\mathrm {B} }}}$
Emitterström	$I_{\mathrm {E} }$ = $I_{\mathrm {C} }$ + $I_{\mathrm {B} }$
Ingångsresistans	$R_{\mathrm {BE} }$ = ${\frac {U_{\mathrm {BE} }}{I_{\mathrm {B} }}}$
Effektförlust	$P_{\mathrm {tot} }$ = $U_{\mathrm {CE} }$ * $I_{\mathrm {C} }$
Inre resistans	$R_{\mathrm {CE} }$ = ${\frac {U_{\mathrm {CE} }}{I_{\mathrm {C} }}}$