Ve světě elektroniky jsou tranzistory jednou z nejdůležitějších a nejpoužívanějších komponent. Jsou to elektronická zařízení schopná zesilovat a přepínat elektrický signál. Nicméně, tranzistory jsou rozděleny do dvou hlavních typů: bipolární a polní. Oba typy mají své jedinečné vlastnosti a výhody, které ovlivňují jejich použití a účinnost.
Bipolární tranzistory neboli bipoláry jsou založeny na použití dvou typů vodivosti-elektrony (NPN) a díry (PNP). Mají tři různé vrstvy zvané emitor, základna a kolektor. Elektrický proud v bipolárních tranzistorech může být řízen, což umožňuje jejich použití v zesilovacích obvodech nebo jako spínací zařízení.
Na druhou stranu tranzistory pole neboli FET (Field-Effect Transistors) používají pouze jeden typ vodivosti - elektrony nebo díry. Fungují tak, že řídí elektrické pole v kanálu mezi zdrojem a odtokem. Tranzistory v terénu se obvykle používají v digitálních elektronických zařízeních, jako jsou počítače nebo mikrokontroléry, kde hrají roli klíče pro řízení toku elektřiny.
Výsledkem je, že volba mezi bipolárními a Fet tranzistory závisí na specifických požadavcích elektronického systému. Bipolární tranzistory se často používají k zesílení signálů, zatímco tranzistory v terénu jsou základem pro digitální zařízení. Pochopení těchto rozdílů umožňuje maximalizovat schopnosti obou typů tranzistorů v různých aplikacích.
Princip fungování bipolárních tranzistorů
Provoz bipolárního tranzistoru je založen na elektronických nábojích nesoucích kladný (+) nebo záporný (-) náboj. V emitoru tranzistoru se vytváří hustý tok elektronů, které přenášejí náboj. Když elektrony vstoupí do základny, interagují s náboji v základně a vytvářejí řízený elektrický proud. Elektrony jsou poté přesunuty ze základny do kolektoru, kde jsou odváděny do vnějšího obvodu tranzistoru.
Základní funkcí bipolárních tranzistorů je řídit proud z emitoru do kolektoru změnou proudu v základně. Když je elektrický proud přiváděn na základnu, zvětší se a přeruší obvod emitoru kolektoru, což umožňuje elektronům volně proudit z emitoru do kolektoru. V důsledku toho může malý vstupní proud do základny ovládat velký výstupní proud z emitoru do kolektoru.
Mezi výhody bipolárních tranzistorů patří vysoká rychlost přepínání, nízká citlivost na vnější rušení a stabilita provozu v širokém rozsahu teplot. Jejich použití však vyžaduje vyšší hodnoty proudu a napětí ve srovnání s tranzistory v terénu.
| Vrstva | Padající kód | Náboj |
|---|---|---|
| Emitor | e | n / d |
| Základ | b | pozitivní |
| Kolektor | c | n / d |
Princip fungování tranzistorů v terénu
Hlavními složkami tranzistoru pole jsou zdroj (source), odtok (drain) a závěrka (gate). Mezi zdrojem a odtokem je kanál řízený elektrickým polem generovaným závěrkou. Kanál může být vyroben z polovodičového materiálu s kladnými nebo zápornými náboji, v závislosti na typu tranzistoru v poli.
- V případě N-kanálového tranzistoru pole (nFET) se kanál skládá z typu P polovodičového materiálu.
- V případě tranzistoru P-kanálového pole (pFET) se kanál skládá z typu N polovodičového materiálu.
Když je na závěr přiváděno kladné nebo záporné napětí, vytvoří se elektrické pole, které řídí tok proudu kanálem. Pokud je na závěrce kladné napětí pro nFET nebo záporné napětí pro pFET, vytvoří se elektrické pole, které tlačí náboje do kanálu a blokuje proud. To vede k otevření tranzistoru a průchodu proudu od zdroje k odtoku.
Při absenci napětí na závěrce nebo přítomnosti opačného napětí elektrické pole zeslábne nebo zmizí a náboje v kanálu se volně pohybují, což zajišťuje, že mezi zdrojem a odtokem není žádný proud. To vede k uzavření tranzistoru a zablokování toku proudu.
Princip fungování tranzistorů v poli je činí ideálními pro zesilovače s vysokou vstupní impedancí, protože závěrka přitahuje malé množství proudu. Mají také vysokou pracovní rychlost, nízkou spotřebu energie a dobrou pracovní stabilitu.
Rozdíly v materiálu elektrod
Bipolární tranzistory mají elektrody vyrobené z kovu. Poskytují nízký vnitřní odpor a umožňují vysokou účinnost tranzistoru. Kovové elektrody bipolárních tranzistorů mají stabilní a spolehlivou strukturu, která zajišťuje stabilitu provozu za různých provozních podmínek.
Na druhé straně tranzistory v terénu mají elektrody vyrobené z polovodičového materiálu, jako je křemík nebo germanium. Tranzistory v terénu mají vysoký vstupní odpor, díky čemuž jsou ideální pro použití v zesilovačích s nízkým signálem. Použití polovodičových materiálů pro elektrody tranzistorů v terénu jim navíc umožňuje být kompaktnější a energeticky účinnější.
Rozdíl v materiálu elektrod je tedy jedním z faktorů, které určují vlastnosti a použití bipolárních a polních tranzistorů. Výběr tranzistoru s určitým typem elektrod závisí na požadovaných vlastnostech a úkolech, které je třeba vyřešit.
Rozdíly podle typu vedení
Bipolární tranzistory provádějí pohyb nosičů náboje z jedné vrstvy polovodiče do druhé přes základnu. Takové tranzistory mají dvě oblasti nazývané emitor (regulační vrstva) a kolektor (přijímací vrstva) a základnu, která řídí proces.
V tranzistorech pole dochází k pohybu náboje kolmo k rovině polovodiče. Skládají se ze dvou vrstev: zdroje, kde se náboje unášejí, a odtoku, kde se shromažďují. Ovládání probíhá pomocí závěrky, která vytváří elektrické pole, které reguluje tok náboje.
Hlavní rozdíl mezi bipolárními a Fet tranzistory je tedy ve směru pohybu náboje a struktuře samotného tranzistoru, což ovlivňuje jejich použití a účinnost v různých elektrických obvodech.
Rozdíly v řídícím elektrickém poli
Bipolární tranzistory fungují ve dvou režimech-aktivní a nasycené. V aktivním režimu umožňuje řídicí proud základny propouštět hlavní proud mezi kolektorem a emitorem. V nasyceném režimu je proud základny nasycený, což vede k úplnému vynechání proudu hlavní kolektorové elektrody. Tranzistor v poli však nemá takovou separaci provozních režimů a může fungovat v aktivním i nasyceném režimu v závislosti na úrovni napětí na závěrce.
Řízení pole v bipolárním tranzistoru vyžaduje přívod proudu do základny, což může vést ke spotřebě velkého množství energie. Zároveň jsou tranzistory v terénu řízeny nízkými napětím na závěrce, což umožňuje výrazně snížit spotřebu energie. Kromě toho mají tranzistory pole vysoký vstupní odpor, díky čemuž jsou pohodlnější pro použití v zesilovačích a dalších aplikacích, kde je důležité minimalizovat ztráty signálu.
Rozdíly v zesilujících charakteristikách
Bipolární a Fet tranzistory mají rozdíly ve svých zesilovacích vlastnostech způsobených různými principy provozu.
Zesílení proudu
Bipolární tranzistory poskytují větší proudové zesílení než tranzistory v terénu. Je to proto, že v bipolárních tranzistorech prochází řídicí proud emitorovou sběrnou oblastí, což jim umožňuje zesilovat jak proudy, tak napětí.
Zatímco tranzistory v terénu mají nižší proudové zesílení. V tranzistorech v poli prochází řídicí proud závěrkou - počáteční oblastí a poskytuje pouze napětí zesílené.
Polarizace
Bipolární tranzistory vyžadují složitější polarizační systém, protože fungují na základě dvou typů vodivosti: elektronické a děrované. Polarizace bipolárních tranzistorů může být offsetová, otevřená nebo aktivní.
Tranzistory v terénu lze zase snadno polarizovat jednoduchým polarizačním systémem.
Teplotní stabilita
Bipolární tranzistory mají lepší teplotní stabilitu ve srovnání s tranzistory v terénu. Jsou méně náchylné ke změnám teploty a poskytují spolehlivější provoz.
Výsledkem je, že bipolární tranzistory jsou preferovány v případě potřeby většího proudového zisku a vyšší teplotní stability, zatímco tranzistory v terénu poskytují jednoduchý polarizační systém a mají vysoké napětí.
Rozdíly ve struktuře a velikosti
Bipolární tranzistor:
Bipolární tranzistory se skládají ze dvou PN přechodů, které tvoří strukturu p-n-p nebo n-p-n. To znamená, že uvnitř tranzistoru jsou dvě vrstvy polovodičového materiálu, se zpětnými proudovými směry oddělenými třetí vrstvou polovodičového materiálu. Tato struktura poskytuje vyšší provozní rychlost a vyšší hodnoty zisku ve srovnání s tranzistory v terénu.
Bipolární tranzistory jsou velké a vyžadují složitější obvod připojení. Mají také nižší vstupní odpor a nižší výkon než tranzistory v terénu.
FET:
Polní tranzistory, také známé jako MOSFET, se skládají z kov-oxid-polovodič struktury. Uvnitř tranzistoru je polovodičová vrstva pokrytá oxidovou izolací a kovovou závěrkou. Tato struktura poskytuje nižší spotřebu energie a vyšší hodnoty vstupního odporu ve srovnání s bipolárními tranzistory.
Tranzistory v terénu mají kompaktnější rozměry a lze je vyrobit na moderních technologiích mikroelektroniky. Mají také vyšší výkon a rychlost přepínání než bipolární tranzistory.
Použití a výhody jednotlivých typů tranzistorů
Bipolární a polní tranzistory mají různé vlastnosti, díky nimž jsou vhodné pro různé aplikace.
Bipolární tranzistor
Bipolární tranzistory, jako jsou NPN a PNP tranzistory, jsou široce používány v analogových obvodech a zesilovacích zařízeních. Poskytují vysoké úrovně zisku při malých proudech základny a jsou schopny pracovat v širokém frekvenčním rozsahu. Bipolární tranzistory se také používají v digitálních obvodech, ale jsou méně účinné a často vyžadují větší proudy základny, aby fungovaly.
Hlavní výhody bipolárních tranzistorů jsou:
- Vysoký zisk proudu
- Relativní jednoduchost řídicího schématu
- Nízká hlučnost a zkreslení
- Vysoký vstupní a výstupní odpor
FET
Tranzistory pole, jako jsou n-kanálové a p-kanálové MOSFETy, jsou nejrozšířenější v digitálních obvodech a zařízeních s nízkým výkonem. Mají vysoký zisk a obvykle pracují s menšími proudy a napětím než bipolární tranzistory.
Hlavní výhody tranzistorů v terénu jsou:
- Nízká spotřeba energie
- Vysoký vstupní odpor
- Široký rozsah provozních teplot
- Krátká doba přepínání
Na základě specifických požadavků každé aplikace může být volba mezi bipolárními a Fet tranzistory rozhodujícím faktorem pro efektivní fungování obvodu nebo zařízení.