Bipolaartransistor

Bipolaartransistor on vooluga juhitav transistor, mis koosneb kolmest erineva juhtivusega (auk- ja elektronjuhtivusega) kihist ja kahest nendevahelisest pn-siirdest.
Transistori seda siiret, millele antakse päripinge, nimetatakse emittersiirdeks, ja sellega külgnevat ala emitteriks (ladina k emittere väljutama); vastupingestatavat siiret nimetatakse kollektorsiirdeks ja sellega külgnevat ala kollektoriks (lad. collector koguja). Keskmine ala – baas – võib olla p- või n-juhtivusega, millele vastavalt on npn- ja pnp-struktuuriga transistore. Baasivool on üldjuhul tüüriv vool ja kollektorivool tüüritav vool. Reeglina on sisendsuuruseks siiski baasi ja emitteri vaheline pinge või selle muutused. Emitterit läbib kollektorivoolu ja baasivoolu summa.
Bipolaartransistori pooljuhtstruktuur koosneb enamasti ränist, harvemini germaaniumist või muudest pooljuhtmaterjalidest ja neisse viidud lisanditest.

Bipolaartransistori tööpõhimõte

Vaatleme npn-transistoris toimuvaid protsesse. Läbi päripingestatud emittersiirde injekteerub (siseneb) emitterist baasi suurel hulgal elektrone, mis osutuvad siin vähemuslaengukandjaiks (vt Pooljuhid elektroonikas). Seetõttu kasvab elektronide kontsentratsioon baasis emittersiirde juures tugevasti. Vastupingestatud kollektorsiirde lähedal on seevastu elektrone väga vähe. Suure kontsentratsioonivahe tõttu difundeeruvad (valguvad) vähemuslaengukandjad emittersiirde juurest kiiresti kollektorsiirde poole ja siirduvad kiirenevalt kollektorisse, sest vähemuslaengukandjaile (npn-transistoris elektronidele) annab vastupingestatud siirde ruumlaengute väli energiat juurde. Kollektori kaudu liiguvad need elektronid kollektorivooluna välisahelasse.
Kollektoriahelasse saabuvad peaaegu kõik baasi sisenenud elektronid, üksnes väike osa neist jõuab rekombineeruda baasi aukudega, st positiivsetest ioonidest moodustuvad elektronidega liitumisel neutraalsed aatomid. Nende elektronide liikumine moodustab baasivoolu ühe komponendi. Selle voolu teise komponendi põhjustavad augud, mis injekteeruvad baasist emitterisse.
Transistori talitluse seisukohast on tähtis, et baasivool oleks võimalikult nõrk. Selle saavutamiseks tehakse baas hästi õhuke, et elektronid ei jõuaks seal kuigivõrd rekombineeruda. Peale selle legeeritakse p-juhtivusega baasi tunduvalt vähem kui emitterit; selle tulemusena on baasist emitterisse siirduvate aukude voog palju nõrgem kui vastassuunaline elektronide voog.
Kontsentratsioonide ühtlustamiseks difundeerub osa auke baasis kollektori poole, nii et emittersiirde juures moodustavad negatiivsed aktseptoriioonid negatiivse laengu ja kollektorsiirde juures augud positiivse laengu. Nende laengute elektriväli kutsub pingestatud transistori baasis esile baasi injekteeruvate elektronide triivi kollektori poole, mistõttu kiirenebki nende liikumine kollektori suunas.
Transistori kasutamisel elektrisignaali võimendamiseks rakendatakse sisendsignaal emittersiirdele, s.o baasi ja emitteri vahele, ja väljundsignaal võetakse kollektoriahelasse ühendatud koormuselt RL. Et kollektorsiire on vastupingestatud, avaldab ta voolumuutusele suurt takistust (harilikult kümned kilo-oomid). Seepärast võib ka koormustakistuse valida suure (nagu teada, on energia ülekanne suurim energiaallika takistuse ja tarbija koormustakistuse võrdsuse korral). Seega on suur ka pingelang koormusel ja väljundsignaali võimsus (alalisvoolu-toiteallika arvel). Samal ajal on sisendsignaali võimsus (emittersiirde pinge ja baasivoolu korrutis) väike ja seejuures seda väiksem, mida väiksema osa emitterivoolust moodustab baasivool. Niisiis osutub elektrisignaali võimsus transistori väljundis palju suuremaks sisendsignaali võimsusest, st toimub võimsuse võimendus.
Samalaadselt kulgeb signaali võimendamine ka pnp-transistoris, ainult elektronide ja aukude osad on vahetunud ning toitepingete polaarsused ja seetõttu ka voolude suund vastupidine.

Ühendusviisid

Et transistoril on kolm väljaviiku, peab tema neliklemmina ühendamisel olema üks viik sisend- ja väljundahelale ühine. Sellele vastavalt on võimalik ühise baasiga (ÜB), ühise emitteriga (ÜE) ja ühise kollektoriga (ÜK) ühendus. Toiteallikad pole skeemidel näidatud, need on signaaliahelate suhtes lühiseks.
Levinuim bipolaartransistori kasutusviis on ÜE-ühenduses, sest see annab suure pinge- ja vooluvõimenduse ning võimendusastme sisend- ja väljundtakistused ei erine üksteisest palju, mistõttu on võimalik järjestikku ühendatud võimendusastmeid hõlpsamalt sidestada.
ÜB-ühenduses transistoriga võimendusastme pingevõimendus on sama suur kui ÜE korral, vooluvõimendus veidi alla 1, kuid sisendtakistus on väga madal (ligikaudu 25/IE, oomides mA voolu kohta). Seetõttu kasutatakse ÜB-lülitust kõrgetel sagedustel sobitatud koormuste olukorras (näiteks 50-oomisest antennist saadava raadiosignaali võimendamiseks). Lisaks nõrgeneb selles lülituses oluliselt kollektorsiirde mahtuvuse parasiitne mõju astme parameetritele.
ÜK-ühenduses astme ehk emitterjärguri vooluvõimendus on sama mis ÜE korral, pingevõimendus aga veidi alla 1. Emitterjärgur on suhteliselt suure sisendtakistuse ja väikese väljundtakistuse tõttu kasutatav madalaoomilise koormuse ühendamiseks suure sisetakistusega signaaliallikaga.

Ajalugu

Bipolaartransistori leiutasid 1947. aasta detsembris John Bardeen ja Walter Brattain William Schockley juhtimisel ettevõttes Bell Telephone Laboratories. Reaalselt kasutatava transistorini jõudsid nad 1948. aastal. Selle leiutise eest pälvisid kõik kolm meest 1956. aasta Nobeli füüsikaauhinna. 
Bardeen on ainus inimene, kes on pälvinud Nobeli füüsikaauhinna kahel korral: teist korda sai ta selle 1972 ülijuhtivust käsitleva BCS-teooria väljatöötamise eest.