Tranzistor a tranzistorový jev

Tranzistor je polovodičová součástka vytvořená ze dvou přechodů PN. Schématicky je tranzistor naznačen na obr. 1.

Tranzistor svou konstrukcí představuje dvojici diod např., tranzistor PNP lze nahradit spojením diod podle obr. 2, na rozdíl od naznačené dvojice diod, tvoří v tranzistoru báze společnou katodu pro obě diody a přesto je velmi tenká. Podstatou činnosti tranzistoru jako aktivního prvku je využití schopnosti přechodu kolektor — báze odvádět menšinové nosiče z báze dříve, než zde zrekombinují. Tranzistorový jev tedy spočívá v injekci menšinových nosičů z oblasti emitoru do oblasti báze a v odvedení převážné většiny těchto nosičů přechodem kolektor — báze. U diody všechny minoritní nosiče v oblasti opačné vodivost zrekombinují, takže obvod na obr. 2 nepostihuje existenci tranzistorového jevu. Přenos proudu neseného minoritními nosiči přes přechod báze — kolektor lze v náhradním obvodu naznačit pomocí zdroje proudu α_NI_E (obr. 3a).

Tranzistor lze také zapojit tak, že přechodem kolektor — báze nosiče dodává a přechodem báze — emitor odvádí. Toto inverzní zapojení má obdobné vlastnosti jako normální a náhradní obvod potom obsahuje zdroj proudu α_II_C (obr. 3b).

Nejzávažnějším a výchozím předpokladem Ebersova – Mollova modelu je, že tyto dva jevy v jediném tranzistoru lineárně superponuje a vytváří náhradní obvod podle obr. 4.

Soubor rovnic, kterými je tento náhradní obvod popsán, popisuje současně soubor voltampérových charakteristik ideálního tranzistoru. Pro diody s nelineární závislostí mezi proudem a napětím na přechodu platí:

kde I_DS a I_CDS jsou nasycené proudy jednotlivých přechodů. Proudové řízené zdroje jsou zde lineární a popisují je rovnice 3 a 4:

Pro vztahy mezi svorkovým napětím a proudem lze odvodit vztahy:

Takto vytvořený model však postihuje pouze idealizovanou činnost tzv. vnitřního tranzistoru. Na funkci skutečného tranzistoru mají vliv další činitele. První velmi závažný rozdíl v chování skutečného tranzistoru vyplývá z toho, že činitele α_N a α_I závisí na proudu I_E, popř. I_C, a tak je nelze v rovnicích 3 a 4 považovat za konstanty. Činnost skutečného tranzistoru ovlivňují ještě další činitele, např. zbytkové proudy, které procházejí skutečným tranzistorem, vzniknou nejen v přechodové vrstvě, ale i působením povrchových svodů. V náhradním obvodu se proto musí vliv paralelních svodů respektovat zařazením paralelních odporů R_BC a R_BE. Kromě svodů se musí v náhradním obvodu respektovat sériový odpor zařazený ke každé elektrodě, tvořený polovodivým materiálem s přívody ke krystalu, kterými proud teče po průchodu přechodem. Takto doplněný náhradní obvod je na obr. 4.

Uvedené vztahy mezi napětími a proudy zůstávají v platnosti pro vnitřní tranzistor E’B’C‘. Na vnějších svorkách se uplatňuje vliv vnějších odporů R_EE‘, R_BB‘, R_CC‘, R_BC‘ a R_BE‘. Vnitřní proudové zdroje jsou řízeny proudy I_CD a I_ED, které nejsou přímo měřitelné. K výsledům se musí dojít řadou nepřímých měření.

Pro běžné tranzistory jsou velikosti konstant v rozmezí

1 < m_e < 2
1 < m_c < 2.2
0.01 < R_EE < 10 Ω
0.01 < R_CC < 10 Ω
0.01 < R_BB < 100 Ω

Odpory R_CB a R_BE jsou velmi velké. Pomocí odporu R_CB se může popsat sklon kolektorových charakteristik. Z naměřených charakteristik se může v určité pracovní oblasti zjistit hodnota odporu R_CB a jeho respektováním zmenšit chyba vzniklá předpokladem, že α_N nezávisí na U_CB. Odpor R_BE je možno téměř vždy považovat za nekonečný.