Despre tranzistor:principii fizice de funcionare.Salut !Dei exist multe aplicaii faine pentru componentele pasive, cea mai spectaculoas parte a electronicii ncepe abia atunci cnd ai de-a face cu tranzistoare. Explicaia este simpl: cu ajutorul tranzistoarelor putem controla curentul electric i efectele sale practic n toate modurile pe care i le poi imagina. Sun interesant ? Atunci hai s vedem cu ce se mnnc tranzistorul. Subiectele de astzi sunt: Ce este un tranzistor ? Tranzistorul Bipolar Tranzistorul cu Efect de Cmp cu Poart Jonciune (JFET) Tranzistorul cu Efect de Cmp cu Poart Izolat (MOS-FET)Ce este un tranzistor ?Este o component electronic a crei rezisten electric poate fi controlat cu ajutorul unui semnal electric numitsemnal de comand. Cea mai important meniune referitoare la aceast definiie este faptul c tranzistorul ne permite s controlm un curent electric mare cu ajutorul unui cantiti foarte mici de energie electric. Din acest motiv, una din principalele aplicaii ale tranzistorului este cea deamplificator.Echivalentul mecanic al tranzistorului ar putea fi robinetul de gaz de la aragaz cu ajutorul unui semnal de comand (fora minii tale) controleaz cantitatea de gaz care iese pe ochiul respectiv i implicit intensitatea flcrii.Aa cum se observ i nfigura 1, pentru a putea funciona normal, tranzistorul are nevoie s fie conectat simultan n dou circuite i anume: uncircuit de intrare prin intermediul cruia tranzistorului i se aplic semnalul electric de comand de la o surs de tensiune (pe care o voi prescurta S.C.In); uncircuit de ieire prin care circul curentul electric controlat prin intermediul tranzistorului. Acest curent este generat de o alt surs de tensiune (pe care o voi prescurta S.C.Out).

Figura 1. Circuitul de intrare i circuitul de ieire al tranzistorului.Not: n figura 1 tranzistorul este simbolizat ntr-un mod simplificat, valabil doar n acea figur. Aa c ai grij s nu confunzi acel simbol cu simbolurile reale pe care le voi prezenta n subcapitolele urmtoare.Considernd schema dinfigura 1, tranzistorul se poate afla la un moment dat n una din urmtoarele situaii: tranzistor blocat. Fr semnal de comand n circuitul de intrare, tranzistorul blocheaz complet trecerea curentului prin circuitul de ieire. Alfel spus, dac nu bagi nimic la intrare, nu obii nici un curent prin circuitul de ieire. n acest caz, rezistena electric dintre bornele de ieire ale tranzistorului este foarte mare (de cel puin cteva sute de k); tranzistor n regiunea activ. De ndat ce cretem puterea semnalului de comand, tranzistorul se va deschide puin cte puin permind astfel trecerea curentului electric prin circuitul de ieire.n acest caz, intensitatea curentului de ieire este dictat de puterea semnalului de comand. Cu alte cuvinte, cu ct semnalul de comand este mai puternic, cu att mai mare va fi i curentul din circuitul de ieire; tranzistor saturat. Dac vom crete n continuare puterea semnalului de comand, vom observa c la un moment dat valoarea curentului din circuitul de ieire nu mai crete. Acest fenomen apare atunci cnd, n prezena unui semnal de intrare suficient de puternic, rezistena electric dintre bornele de ieire ale tranzistorului scade pn la 0.Tranzistorul BipolarDin punct de vedere fizic, tranzistorul bipolar este format din doujonciuni PN,dispuse spate n spate, aa ca nfigura 2.Denumirea de bipolar vine de la faptul c este compus din dou tipuri de materiale semiconductoare, care pot forma un tranzistor NPN (cu o felie de semiconductor de tip P pus ntre dou felii de semiconductori de tip N)sau un tranzistor PNP (cu o felie de semiconductor de tip N pus ntre dou felii de semiconductoare de tip P). Simbolizarea fiecruia din aceste tipuri este de asemenea prezentat nfigura 2.

Figura 2. Structura i simbolizarea unui tranzistor bipolar.Tot n figura 1 se observ c fiecare din cele 3 materiale semiconductoare care compun un tranzistor bipolar au denumiri specifice: Baz (B), Emitor (E) i Colector (C). Aceste denumiri au fost inspirate de rolurile pe care aceste materiale l joac n funcionarea tranzistorului.Pentru a te face s nelegi cum funcioneaz tranzistorul bipolar, prima dat te invit s arunci o privire pestefigura 3, unde este schiat principiul de funcionare al unui tranzistor NPN.Ca s evit orice confuzie, menionez c nfigura 2jonciunile PN sunt reprezentate ntr-un mod simplificat iar nfigura 3sunt desenate aa cum apar ele n realitate.Pentru a nelege de ce este nevoie ca aceste jonciuni s fie construite att de ntortocheat trebuie s ii minte urmtoarele: emitorul (E): este fabricat dintr-un semiconductor de tip N, foarte puternicdopat, ceea ce nseamn c dispune de o mare cantitate deelectroni liberi; colectorul (C): este fabricat tot dintr-un semiconductor de tip N ns care este mai slab dopat, ceea ce nseamn c are mai puini electroni liberi. Pe lng acestea, colectorul este cea mai voluminoas zon tranzistorului; baza (B) este fabricat dintr-un semiconductor de tip P tiat sub forma unei foie foarte subiri. Baza este plasat ntre emitor i colector crendbariere de potenialla zonele de contact cu acetia (vezi liniile roii dinfigura 3).

Figura 3. Funcionarea unui tranzistor bipolarnfigura 3 stnga, respectnd schema sugerat n figura 1,am conectat terminalele tranzistorului ntr-un circuit de intrare i respectiv ntr-unul de ieire. innd cont c acum ne referim lasensul real al curentului electric, hai s ne uitm cu atenie n imaginea din figura 3 dreapta. Am polarizat n sens direct jonciunea B-E cu o tensiune mai mare decttensiunea de deschiderea acesteia i astfel am anulat bariera de potenial a acestei jonciuni. Asta nseamn c electronii liberi din emitor vor putea trece n golurile din baz i de acolo mai departe ctre borna + (plus) a sursei de alimentare, formnd un curent electric numit curent de baz(IB). Toate par bune i frumoase pn aici, ns exist o mic problem: baza, fiind fabricat (intenionat) de forma unei foie foarte subiri, nu va permite prea uor trecerea electronilor liberi prin ea. Astfel, pe traseul dintre emitor i baz, electronii liberi circula cu greu, ceea ce nseamn c baza are acum un surplus de electroni liberi. Acum i intr n rolcolectorul, despre care am spus deja c, fiind slab dopat, are mai puini electroni liberi dect cei nghesuii n baz. n plus,colectorul este legat la borna + (plus) a sursei de alimentare din circuitul de ieire, motive pentru care o parte din electronii liberi din baz sunt atrai i absorbii de ctre colector. Electronii care sunt atrai n colector formeaz un curent electric ce poart numele de curent de colector (IC). Cum att curentul de colector ct i cel de baz sunt formai din electroni provenii din emitor, curentul de emitor (IE) este dat de suma dintre ICi IB.tiind toate aceste lucruri, acum i poti da seama c: terminalul emitor (E) i trage denumirea de la faptul c reprezint sursa tuturor sarcinilor electrice care circula prin tranzistor; terminalul colector (C) se numete asa deoarece colecteaz sarcini electrice din zona bazei; terminalul baz (B) se numete aa pentru c la primele tranzistoare,baza reprezenta suportul ntregii structuri a tranzistorului.n practic, componentele tranzistorului bipolar sunt optimizate n asa fel nct cea mai mare parte a electronilor plecai din emitor ajung prin baz n colector. Cu alte cuvinte, curentul de colector este mult mai mare decat cel de baz. Raportul dintre curentul de baz i curentul de colector poart denumirea de factor (beta), care mai este numit i factor de amplificare al tranzistorului. n general, factorul este cuprins n gama 10-1000.Te-ai putea ntreba, bine, dar jonciunea B-C dinfigura 3nu este cumva polarizat invers ? Cum de totui conduce curentul electric ?.Specialitiispun c responsabil de aceast anomalie este faptul c emitorul este mult mai puternic dopat dect colectorul, dar i faptul c baza are o grosime foarte mic. Altfel spus, datorit motivelor menionate,bariera de potenial din jonciunea B-C devine parial transparent.n toat prezentarea de mai sus, am considerat c circuitul de comand al tranzistorului este conectat pe jonciunea B-E. Trebuie ns s menionez c circuitul de comand poate fi aplicat foarte bine i pe jonciunea B-C (adic n figura 3 poi inversa colectorul cu emitorul). Acest mod de legare nu este prea practic deoarece conduce la transformarea tranzistorului din amplificator (IBIC).Tranzistorului PNP, aa cum poi vedea nfigura 2, este compus dintr-o baz fabricat dintr-un semiconductor de tip N care este aezat ntre un emitor i un colector fabricai din semiconductoare de tip P. Din acest motiv, curenii electriciIB, ICi IEcircul n sens invers fa de sensul avut n tranzistorul NPN. n rest, baza, colectorul i emitorul tranzistorului PNP au aceleeai configuraii ca i la tranzistorul NPN.La fel ca n orice alt jonciune PN, tensiunea direct de pe jonciunea B-E nu va putea fi niciodat ridicat prea mult peste tensiunea de deschidere a acestea, singurul lucru care poate fi crescut fiind doar intensitatea curentului care trece prin ea, adic IB. Asta nseamn c tranzistorul bipolar este un tranzistor comandat n curent, conform urmtoarei reguli:cu ct este mai puternic semnalul de intrare (IB), cu att mai mare este i curentul pe care l determin n circuitul de ieire (IC).Tranzistorul cu Efect de Cmp cu Poart Jonciune (JFET)nainte de toate vreau s-i clarific urmtorul lucru: tranzistor cu efect de cmp TEC (sau Field Effect Transistor -FET) reprezint orice tranzistor n care controlul curentului din circuitul de ieire se realizeaz prin modificarea unui cmp electric din acel tranzistor. Cu alte cuvinte, pentru a comanda un tranzistor cu efect de cmp, nu ai nevoie de curent electric ci doar de un cmp electric corespunztor. Asta nseamn c un FET este sensibil la prezena unei tensiuni n circuitul de intrare sau pur i simplu la cmpurile electrostratice care pot apare prin zon (ca de exemplu acela care te electrocuteaz cnd te dai jos din main i atingi prile metalice ale acesteia).Revenind la tranzistorul cu efect de cmp cu poart jonciune (Junction Field Effect Transistor JFET), putem spune c este format prin crearea unor jonciuni PN pe un bloc de material semiconductor, aa cum este artat nfigura 4. Se observ c terminalele JFET-ului se numesc diferit fa de cazul tranzistorului bipolar, i anume: poart, surs i dren. Cu toate acestea, din punct de vedere al rolului funcional, echivalena ntre terminalele celor dou tipuri de tranzistoare este practic total: sursa, la fel ca i emitorul, are rolul de a furniza toi purttorii de sarcin cu care funcioneaz tranzistorul; drena, la fel ca i colectorul, are rolul de a capta, colecta, absorbi purttorii de sarcin din surs; poarta, la fel ca i baza, are rolul de a introduce semnalul de comand n tranzistor i implicit, de a controla ct de muli purttori de sarcin ajung din surs n dren. Important de menionat este faptul c n practic de multe ori poarta se noteaz cu G, care este prescurtarea de lagate(denumirea din limba englez a porii).n funcie de tipul semiconductorului pe care sunt create acele jonciuni PN, JFET-ul poate fi cu canal P sau cu canal N. n acest context,canaleste denumirea dat spaiului dintre cele dou jonciuni PN, pe unde poate trece curentul electric. Numele de canal P sau de canal N, arat tipul de semiconductor din care sunt formate sursa i drena (sau tipul de semiconductor conectat la bornele circuitului de ieire).Dup cum se observ nfigura 4, ct timp JFET-ul nu este conectat nicieri, jonciunile PN formeaz bariere de potenial normale, care nu deranjeaz cu nimic circulaia curentului electric ntre surs i dren.

Figura 4. Structura i simbolizarea unui tranzistor cu efect de cmp cu poart jonciune (JFET)Cnd ns JFET-ul estepolarizatcorespunztor ntr-un circuit de intrare i unul de ieire, rezistena eletric dintre surs i dren se reduce. Pentru a nelege mai bine fenomenul, hai s ne uitam nfigura 5unde este reprezentat funcionarea unui JFET cu canal N. n primul rnd observm c sursa de alimentare a circuitului de ieire este conectat ntre surs i dren, i c aceasta creeaz un curent electric prin semiconductorul de tip N. Apoi, se observ c zonele P ale jonciunilor PN sunt legate la un loc de borna + (plus) a sursei de alimentare a circuitului de intrare. Cealalt born a acestei surse este legat la sursa JFET-ului, ceea ce nseamn c jonciunile PN sunt polarizate invers. Dup cum tim, polarizarea invers a jonciunilor PN le mrete bariera de potenial (zonele gri din figura5 dreapta), fapt pentru care se ngusteaz canalul prin care poate trece curentul electric. Dac vom crete suficient de mult tensiune invers pe acele jonciuni PN, se poate ajunge ca acel canal s se subieze de tot i s nu mai permit trecerea curentului electric.Cu alte cuvinte, funcionarea JFET-ului este similar cu situaia n care calci cu piciorul un furtun prin care circula ap: cu ct l calci mai tare cu att apa va trece mai greu prin el. Aceast comparaie ne sugereaz c, ntr-un JFET, curentul ntre surs i dren poate circula n ambele sensuri, ceea ce ca principiu este adevrat. Asta mai departe nseamn c JFET-ul poate fi folosit ca o rezistena electric a crei valoare poate fi controlat prin intermediul unei tensiuni electrice. Cu toate acestea, n realitate exist i JFET-uri care prin optimizrile suferite n procesul de fabricaie, nu pot conduce curentul electric n ambele sensuri.Din prezentarea de mai sus reiese c JFET-ul nu consum curent din circuitul de intrare, ceea ce nseamn c JFET-ul este un tranzistor care l poi comanda n tensiune dup urmtoarea regul:cu ct este mai puternic semnalul de intrare (UPS), cu att mai mic este curentul de dren (ID) pe care l determin n circuitul de ieire.

Figura 5. Funcionarea unui tranzistor JFET cu canal NFuncionarea JFET-ului cu canal P are loc n acelai mod, exceptnd bineneles faptul c polaritatea tensiunilor electrice trebuie inversat.Tranzistorul cu Efect de Cmp cu Poart Izolat (MOSFET)MOS-FET vine de la Metal Oxid Semiconductor- Field Effect Tranzistor, ceea ce nseamn c este vorba despre un FET n care poarta este izolat de celelalte elemente ale tranzistorului printr-un strat de oxid.Fiind un FET rezult c terminalele MOS-FET-ului pstreaz denumirile folosite n cazul JFET-ului.nfigura 6am schiat structura unui MOS-FET cu canal P.Se observ c are n componen dou jonciuni PN care sunt plasate spate n spate la fel ca n cazul tranzistorului bipolar, motiv pentru care barierele de potenial formate ntre acestea nu permit trecerea curentului electric ntre surs i dren.

Figura 6. Structura i simbolizarea unui tranzistor cu efect de cmp cu poart izolat (MOS-FET)Dac ns ne uitm nfigura 7, observm c situaia se schimb radical cnd MOS-FET-ul este polarizat corespunztor. Observm c poarta este conectat la borna + (plus) a sursei din circuitul de intrare, ceea ce nseamn c electronii liberi care freac menta n jurul barierelor de potential vor fi atrai ctre poarta MOS-FET-ului. Aceti electroni nu vor putea s ajung n zona porii pentru c i impiedic stratul de izolator, motiv pentru care se vor aduna sub forma unei pelicule de electroni alungit de-a lungul izolatorului (vezi zona portocalie dinfigura 7). Aceast pelicul dizolv barierele de potenial deoarece n acest caz i de o parte i de alta a jonciunilor PN exist surplus de electroni.Mai departe, observm c aceast pelicul creeaz o punte de legatur ntre sursa i drena MOS-FET-ului.

Figura 7. Funcionarea unui tranzistor cu efect de cmp cu poart izolat (MOS-FET)Se observ c drena i sursa MOS-FET-ului sunt simetrice i deci am putea inversa oricnd drena cu sursa. Cu toate acestea, trucurile folosite de fabricanii de MOS-FET-uri pentru a-i mbunti performanele, n general nu permit inversarea drenei cu sursa.La fel ca i JFET-ul, MOS-FET-ul nu consum curent din circuitul de intrare, ceea ce nseamn c i el este un tranzistor pe care l poi comanda n tensiune. Regula de funcionare este ns invers: cu ct este mai puternic semnalul de intrare (UPS), cu att mai mare este curentul de dren (ID) pe care l determin n circuitul de ieire.Funcionarea MOS-FET-ului cu canal P are loc n acelai mod, exceptnd bineneles faptul c polaritatea tensiunilor electrice trebuie inversat.Exist i alte tipuri de tranzistoare, ns cel bipolar mpreun cu JFET-ul i MOS-FET-ul sunt cele mai importante n electronic. Fizica funcionrii lor este un subiect plin de detalii care a fost i este tratat n cri ntregi. Cu toate acestea, sper c am reuit s te fac s nelegi mcar imaginea de ansamblu a acestui subiect.Valoarea acestui articol se vrea a fi una teoretic, de ilustrare a unor principii de funcionare i sunt contient c informaia prezentata aici i se poate prea prea teoretic pentru a putea folosi tranzistorul n mod practic. Din acest motiv, n urmtorul articol vom lsa deoparte discuiile despre fizica semiconductoarelor i vom vorbi despre tranzistoare abordnd numai informaii cu valoare pur practic.