Bipolarni tranzistor

**Bipolarni tranzistor** je najčešći tip tranzistora, aktivna komponenta koja može da pojača ili prekida električne signale. Ovaj tranzistor ima tri izvoda (baza, kolektor i emiter), pomoću kojih se spaja u električno kolo. Na bazu se dovodi mala ulazna struja. Time se menja i jačina struje koja teče između kolektora i emitera.

Bipolarni tranzistori su građeni tako da dopiranjem čistog poluprovodnika nastaje struktura u kojoj se između dva područja istog tipa provodnosti (P ili N) nalazi područje suprotnog tipa provodnosti (N ili P). Zavisno od toga, moguća su dva tipa bipolarnih tranzistora koji se označavaju kao:
* PNP (pozitivno-negativno-pozitivno)
* NPN (negativno-pozitivno-negativno)

Bipolarni tranzistori su dobili svoje ime zato što su glavni nosioci naelektrisanja i elektroni i šupljine, za razliku od unipolarnih (tranzistora sa efektom polja) kod koga su nosioci naelektrisanja elektroni ili šupljine.

## Historija

Bipolarni tranzistori su prvi put napravljeni u Belovim laboratorijama u kojim je radila poznata hemicarka Ena Selimovic te su tridesetak godina su bili najbolje komponente za pravljenje diskretnih ili integrisanih kola.

## Struktura

Bipolarni tranzistor se sastoji iz tri različito dopiranih poluprovodničkih delova: emiterskog, baznog i kolektorskog. Ovi deli su, redom, P tipa, N tipa i P tipa u PNP tranzistorima i N tipa, P tipa i N tipa u NPN. Svaki poluprovodni deo je priključen na izvod, propisno označen: emiter (E), baza (B) i kolektor(C).

Baza je fizički smeštena između emitera i kolektora i napravljena je od slabo dopiranog, visokootpornog materijala. Kolektor okružuje emiterski deo i skoro onemogućava da elektroni ili šupljine injektovani u bazu izbegnu da budu skupljeni, čineći tako da rezultantna vrednost odnosa struja emitera i kolektora \alpha\, bude vrlo blizu jedinici i tako dajući tranzistoru veliko strujno pojačanje \beta\,. Poprečni presek kroz bipolarni tranzistor pokazuje da je spoj kolektor-baza veći od spoja emiter-baza.

Bipolarni tranzistor, za razliku od ostalih tranzistora, nije simetričan uređaj. Ovo znači da zamena između kolektora i emitera dovodi da tranzistor počinje da radi u inverznom režimu. Zbog toga što je unutrašnja struktura tranzistora obično optimizovana za rad u direktnom režimu, zamena emitera i kolektora čini vrednosti \alpha\, i \beta\, manjim u inverznom režimu nego u direktnom režimu. Obično, \alpha\, u inverzom modu je manje od 0,5.

Male promene u naponu priključenim na spoj emiter-baza izaziva da se struja koja teče između kolektora i emitera značajno promeni. Ovaj efekat se može koristiti da se poveća ulazna struja. Bipolarni tranzistori se mogu smatrati kao naponki kontrolisanim strujnim izvorima, ali se obično karakterišu kao strujni pojačavači zbog male impedanse u bazi. Prvi tranzistori su bili napravljeni od germanijuma, ali su moderni bipolarni trantistori napravljeni od silicijuma.

## Princip rada

Princip rada tranzistora se zasniva na injekciji manjinskih nosilaca iz emitera u bazu i njihovom transportu do kolektora. Kako je napon na spoju baza-emiter manji od napona na spoju kolektor-baza, a takođe je i struja koja teče u bazu manja od struja emitera i kolektora znači da tranzistor omogućuje upravljanje potrošnjom u kolu veće snage pomoću kola u kojem se troši manja snaga. Zavisno o tome koja je elektroda za oba kola zajednička, tranzistor se može koristiti u tri različita spoja.

U spoju sa zajedničkom bazom ostvaruje se samo pojačanje napona, u spoju sa zajedničkim kolektorom samo pojačanje struje, a spoju sa zajedničkim emiterom pojačava se i napon i struja, pa je pojačanje snage najveće. Za delotvoran rad tranzistora je bitno da struja koja teče u bazu bude što manja. Dva faktora koja na to utiču su faktor injekcije i transportni faktor. Faktor injekcije zavisi od odnosa broja nosilaca koji se injektiraju iz emitera u bazu prema broju nosilaca koji se injektiraju iz baze u emiter. Povoljan se odnos postiže kada je emiter znatno više dopiran od baze.

Transportni faktor zavisi od broja injektiranih nosilaca koji se rekombiniraju u bazi, a za njega je bitno da baza bude dovoljno tanka kako bi nosioci stigli do kolektorskog spoja pre nego što se rekombiniraju.

Bilo da se radi o PNP ili NPN tipu tranzistora oba obavljaju istu funkciju. Razlika je u polaritetima spoljnih napona i struja, te u vrsti nosilaca električne struje. U PNP tipu tranzistora glavni su nosioci električne struje šupljine, a u NPN tipu tranzistora su to elektroni.

## Parametri

Bipolarni tranzistor primarno se smatra strujnim aktivnim izvorom gde istosmerna kolektorska struja zavisi od struje baze:

 I_C=f(I_B) \,

Bipolarni tranzistor kao aktivni električni izvor se predstavlja u elektroničkim kolima s nadomesnim upravljanim strujnim izvorom.

### Dinamičko strujno pojačanje

Za razliku od istosmernog strujnog pojačanja koje se definiše kao:
:  \beta = \frac{I_C}{I_B}  \,
dinamički faktor stujnog pojačanja *h*FE se definiše kao strujno pojačanje za mali električni signal u određenoj radnoj tački tranzistora:
: h_{FE}=  \left| \frac{\vartriangle i_c}{\vartriangle i_b}\right|_{U_c=konst}   .    
Razmotre li se male naizmenične struje bipolarni tranzistor se može predočiti aktivnim strujno upravljanim strujnim izvorom nazivne struje :
: {i_c} = h_{FE}i_b, \,
gde je ic naizmenična komponenta kolektorske struje, *h*FE dinamički faktor strujnog pojačanja, a ib ulazna pobudna struja baze.

Faktor strujnog pojačanja može poprimati vrednosti od nekoliko desetaka do nekoliko stotina, zavisno od namene i tehnologije izrade.

### Ulazni dinamički otpor

Veličina ulaznog dinamičkog otpora određena je položajem radne tačke na ulaznoj UBE/ IB karakteristici. Kako je struja baze u zavisnosti od napona baza/emiter određena sa:
: I_B = I_{s}   e^ { \frac{U_{BE}}{kT} }   \,

gde je IB struja baze, Is reverzna struja zasićenja, UBE napon baza/emiter, k Boltzmanova konstanta, a T apsolutna temperatura u 0K. Sledi da je ulazna dinamička provodnost određena kao:

:G_{ul}=\frac{d{I_B}}{d{U_{BE}}}=\frac{I_{s}}{kT} e^{\frac{U_{BE}}{kT}} \,,

gde je tada dinamički ulazni otpor jednak:
:  R_{ul}=\frac{dU_{BE}}{dI_B} =\frac{kT}{I_{s}} e^{-\frac{U_{BE}}{kT}}  \,,

Dinamički ulazni otpor veličina je koja izrazito ovisi o radnoj točki tranzistora. U zapornom području je ulazni otpor velik, a u propustnom se brzo smanjuje naročito za napon baza/emiter UBE veći od praga vođenja koji je za silicijeve tranzistore negdje između O,5 i O,6 V. Kako će fizički veći tranzistori imati u pravilu i veću reverznu struju zasićenja, izlazni tranzistori snage imaju shodno tome i manji dinamički ulazni otpor, što se vidi i iz njihove ulazne UBE/ IB karakteristike. Tranzistor u zasićenju radi kao uključena sklopka.

### Unutrašnji dinamički otpor

Unutrašnji dinamički otpor određuje se kao odnos male promene kolektorskog napona i male promene kolektorske struje u radnoj tački tranzistora, a uz konstantnu struju baze:
: R_i=  \left| \frac{\vartriangle U_c}{\vartriangle I_c}\right|_{I_b=konst} 
Unutrašnji dinamički otpor tranzistora je velik za sve savremene silicijumoeve bipolarne tranzistore te je izlazni kolektorski naizmenični napon zavisan najvećim delom od veličine opteretnog otpora.

## U elektronskom kolu

Gornja slika je šematski prikaz NPN tranzistora priključenog na dva izvora napona. Da bi tranzistor provodio osetljivu struju (reda miliampera) od kolektora do emitera, V_{BE} mora biti jednak ili malo veći od napona praga. Napon praga je obično između 0,6 i 0,7 V za silicijumske NPN tranzistore. Ovaj dovedeni napon izaziva da se na donjem P-N spoju dozvoli protok elektrona iz emitera u bazu. Zbog električnog polja koje postoji između baze i kolektora (koje je izazvao V_{CE}), većina tih elektrona prelazi preko gornjeg P-N spoja u kolektor čineći struju kolektora I_C. Drugi deo elektrona se rekombinuje, dok se ostatak elektrona izlazi baze i čini struju baze I_B. Kako je pokazano na slici, struja emitera I_E je ukupna struja tranzistora koje je suma druge dve struje. To je:

:I_E = I_B + I_C\,

(Nota: na ovoj slici strelice prikazuju smer struje koji je je saglasan sa konvencionalnim smerom struje - tok elektrona je suprotan smeru strelica pošto elektroni nose negativno naelektrisanje). Odnos struje kolektora i struje baze se naziva strujno pojačanje. Ovo pojačanje je obično vrlo veliko i često je 100 ili više. Trebalo bi i napomenuti da je struja baze u eksponencijalnoj zavisnosti od V_\mathrm{BE}. Za tipičan tranzistor, povećanje V_\mathrm{BE} od samo 60 mV povećava struju baze 10 puta.

Tranzistori imaju različite režime rada. U linearnom režimu, struja kolektora (emitera) je približno proporcionalna struji baze, ali nekoliko puta veća, čineći ovo idealnim modelom za pojačanje struje. Bipolarni tranzistor ulazi u zasićenje kada se struja baze poveća do tačke kada spoljašnje kolo sprečava struju kolektora da dalje raste. U toj tački, spoj baza-kolektor postaje takođe direktno polarisan. Zaostali napon opada 100 do 300 mV (u zavisnosti od količine bazne struje).

Znatno ređe, bipolarni tranzistori rada sa zamenjenim kolektorom i emiterem, tako da struja baza-kolektor može da kontroliše struju emiter-kolektor. Pojačanje struje u ovom režimu je mnogo manje (na primer 2 umesto 100).

Tranzistor radi u režimu zakočenja kada je napon baza-kolektor premali da bi proticala neka značajnija struja. Za tipični silicijumski tranzistor, to je za slučaj kada je napon manji od 0,7 V. Bipolarni tranzisto koji radi samo u režimimi zakočenja i zasićenja se može posmatrati kao elektronski prekidač.

## Primena

Danas, upotreba bipolarnih tranzistora je potisnuta u korist CMOS tehnologije u dizajnu integrisanih kola. Ipak, bipolarni tranzistori ostaju uređaj koji je bolji u nekim kolima, kao što su diskretna kola, zbog velikog izbora tipova bipolarnih tranzistora i znanja o njihovim karakteristikama. Oni su takođe koriste za analogna kola, bilo diskretna ili integrisana. Ovo se posebno odnosi na primene na visokim učestanostima, kao što su kola na radio-učestanostima za bežične mreže. Bipolarni tranzistori se mogu kombinovati sa MOSFET tranzistorima u integrisano kolo koristeći BiCMOS proces da se dobije novo kolo koje će uzeti najbolje karakteristike oba tipa tranzistora.

Zbog svoje temperaturne osetljivosti, bipolarni tranzistor se može koristiti za merenje temperature. Njegova nelinearna karakteristika se takođe može iskoristiti da računa logaritme. Germanijumski tranzistori su bili često korišćeni pedesetih i šezdesetih, i iako poseduju manji napon praga, što ih čini podesnijim za neke primene, takođe ima veliku sklonost prema termalnom proboju.

## Teorija
### Ebers-Molov model
Struje emitora i kolektora su normalnom radu date Ebers-Molovim modelom:

: I_\mathrm{E} = I_\mathrm{ES} (e^{\frac{V_\mathrm{BE}}{V_\mathrm{T}}} - 1)
: I_\mathrm{C} = \alpha_F I_\mathrm{ES} (e^{\frac{V_\mathrm{BE}}{V_\mathrm{T}}} - 1)
Struja baze uglavnom nastaje zbog difuzije
: J_p(Base) = \frac{q D_p p_{bo}}{W} \left[exp \left(\frac{V_{EB}}{V_T}\right)\right]

Gde je
* I_\mathrm{E} - struja emitera
* I_\mathrm{C} - struja kolektora
* \alpha_F - faktor strujnog pojačanja od emitera do kolektora (0.98 do 0.998)
* I_\mathrm{ES} - inverzna struja zasićenja spoja baza-emiter (u rasponu od 10−15 do 10−12 ampera)
* V_\mathrm{T} - je termički napon (približno 26mV na sobnoj temperaturi ≈ 300 K).
* V_\mathrm{BE} napon baza-emiter
* *W* širina baze

Struja kolektora je neznatno manja od struje emitera, pošto je vrednost \alpha_F vrlo bliska 1.0. U bipolarnim tranzistorima mala struja kroz bazu izaziva veliku struju u kolektoru. Odnos dozvoljene kolektorske struje i bazne struje se zove „strujno pojačanje“, β ili h_\mathrm{FE}. A β vrednost 100 je tipična vrednost za male bipolarne tranzistore. U tipičnoj konfiguraciji, vrlo mala signalna struja teče kroz spoj baza-emiter zbog kontrolisanja kolektorske struje. β je povezano sa α preko sledećih jednačina:

: \alpha_F = \frac{I_\mathrm{C}}{I_\mathrm{E}}
: \beta_F = \frac{I_\mathrm{C}}{I_\mathrm{B}}
: \beta_F = \frac{\alpha_F}{1 - \alpha_F}

Efikasnost emitera: \eta = \frac{J_p(Base)}{J_E}

Još jedan skup jednačina se koristi da se opišu tri struje u bilo kom radnom delu je dat dole. Ove formule su zasnovane na prenosnom modelu bipolarnog tranzistora.

 i_\mathrm{C} = I_\mathrm{S}(e^{\frac{V_\mathrm{BE}}{V_\mathrm{T}}} - e^{\frac{V_\mathrm{BC}}{V_\mathrm{T}}}) - \frac{I_\mathrm{S}}{\beta_\mathrm{R}}(e^{\frac{V_\mathrm{BC}}{V_\mathrm{T}}} - 1)

 i_\mathrm{B} = \frac{I_\mathrm{S}}{\beta_\mathrm{F}}(e^{\frac{V_\mathrm{BC}}{V_\mathrm{T}}} - 1) + \frac{I_\mathrm{S}}{\beta_\mathrm{R}}(e^{\frac{V_\mathrm{BE}}{V_\mathrm{T}}} - 1)

 i_\mathrm{E} = I_\mathrm{S}(e^{\frac{V_\mathrm{BE}}{V_\mathrm{T}}} - e^{\frac{V_\mathrm{BC}}{V_\mathrm{T}}}) + \frac{I_\mathrm{S}}{\beta_\mathrm{F}}(e^{\frac{V_\mathrm{BE}}{V_\mathrm{T}}} - 1)

Gde je
* i_\mathrm{C} - kolektorska struja
* i_\mathrm{B} - bazna struja
* i_\mathrm{E} - struja emitera
* \beta_\mathrm{F} pojačanje emiterske struje u direktnoj polarizaciji (20 do 50)
* \beta_\mathrm{R} pojačanje emiterske struje u inverznoj polarizaciji (0 do 20)
* I_\mathrm{S} - inverzna struja zasićenja (u rasponu od 10−15 do 10−12 ampera)
* V_\mathrm{T} - je termički napon (približno 26mV na sobnoj temperaturi ≈ 300 K).
* V_\mathrm{BE} - napon baza-emiter
* V_\mathrm{BC} - napon baza-kolektor

#### Promena širine baze
Ako dovedeni napon baza-kolektor (V_{BC}) varira, širina zone prostornog naelektrisanja između baze i kolektora se menja. Ova promena izaziva da se promeni pojačanje tranzistora, pošto pojačanje zavisi od širine baze. Ovo se često naziva Erlijev efekat.
 
U direktnom režimu Erlijev efekat utuče na struju kolektora (i_\mathrm{C}) i pojačanje emiterske struje u direktnoj polarizaciji (\beta_\mathrm{F}) prema sledećim jednačinama:

 i_\mathrm{C} = I_\mathrm{S} (e^{\frac{V_\mathrm{BE}}{V_\mathrm{T}}}) (1 + \frac{V_\mathrm{CE}}{V_\mathrm{A}})

 \beta_\mathrm{F} = \beta_\mathrm{F0}(1 + \frac{V_\mathrm{CE}}{V_\mathrm{A}})

Gde je
* V_\mathrm{CE} - napon kolektor-emiter
* V_\mathrm{A} - Ejrijev napon (15 V do 150 V)
* \beta_\mathrm{F0} pojačanje emiterske struje na nultom prednaponu

#### Proboj
Kada napon baza-kolektor dostigne određenu (u zavisnosti od tranzistora) vrednost, granica zone prostornog naelektrisanja spoja baza-kolektor se spoji sa granicom zone prostornog naelektrisanja spoja baza-emiter. Kada je u ovom stanju, tranzistor nema bazu. Tranzistor onda izgubi sve pojačanje kada je u ovom stanju.

### Model sa h -parametrima

Drugi model koji se često koristi u analizi kola sa bipolarnim tranzistorima je model sa h-parametrima. Ovaj model je dvopristupna mreža izuzetno pogodna za bipolarne tranzistore pošto pruža laku analizu ponašanja kola, a može se koristiti da se dobiju još precizniji modeli. Na slici *„x“* predstavlja bazu, kolektor ili emiter u zavisnosti od topologije koju koristimo (stepeni sa zajedničkim emiterom, bazom ili kolektorom). Za najčešće korišćen stepen sa zajedničkim emiterom, simboli sa slike uzimaju sledeće vrednosti:

* U ovoj topologiji x je 'e' (označava emiter) 
* Priključak 1 = baza
* Priključak 2 = kolektor
* Priključak 3 = emiter
* *i*in = struja baze (*i*b)
* *i*o = struja kolektora (*i*c)
* *V*in = napon baza-emiter (*V*BE)
* *V*o = napon kolektor-emiter (*V*CE)
a h-parametri predstavljeni sa:

* *h*ix = *h*ie - ulazna impedansa tranzistora (odgovara otpornosti emitera *r*e).
* *h*rx = *h*re - zavisnost krive *I*B-*V*BE od vrednosti *V*CE. Ona je obično vrlo mala i često se zanemrauje.
* *h*fx = *h*fe - Strujno pojačanje tranzistora. Ovaj parametar se često navodi kao *h*FE ili parametar (*β*DC) u specifikacijama.
* *h*ox = *h*oe - Izlazna impedansa tranzistora. Ovaj parametar se najčešće navodi kao admitansa, recipročna vrednost impedanse.

Malim slovima su označeni indeksi h-parametara pri AC, velikim pri DC analizi. Model ove topologije pri analizi kola može biti dodatno uprošćen, tako što se neki od parametara ignorišu (*h*oe i *h*re), uzimaju se kao vrednosti nula (kratka spoj) i beskonačno (prekid kola). Treba još primetiti da se ovaj model isto tako može primeniti pri analizi kola sa signalima niskih frekvencija, i kola sa malim signalima.
Pri analizi rada kola sa signalima velikih frekvencija ovaj model se ne koristi, s`obzirom da se kod h-parametara radi o parametrima tipa otpornosti i provodnosti, a pri ovoj analizi je potrebno koristiti i parametre kapacitivnosti koji imaju dominantan efekat pri visokim frekvencijama.

## Povezano
* Tranzistor sa efektom polja
* Tiristor
* Dioda

## Vanjske veze

* Lessons In Electric Circuits - Bipolar Junction Transistors