Tranzystory są urządzeniami półprzewodnikowymi umożliwiającymi sterowanie przepływem dużego prądu, za pomocą prądu znacznie mniejszego. Wykorzystuje się je do wzmacniania małych sygnałów oraz przetwarzania informacji w postaci cyfrowej. Nazwa "tranzystor" pochodzi z połączenia słów transfer i rezystor.

Wśród tranzystorów wyróżniamy dwa podstawowe typy: unipolarny (polowy), w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego, oraz bipolarny, który transportuje ładunki za pośrednictwem obu rodzajów nośników jakie istnieją w półprzewodniku, tzn. elektronów i dziur. Półprzewodniki, w których na skutek nieregularności sieci krystalicznej przeważają nośniki typu dziurowego nazywa się półprzewodnikami typu p (niedomiarowymi). Gdy przeważają nośniki elektronowe nazywa się je półprzewodnikami typu n (nadmiarowymi). Zbudowane są z trzech warstw półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza PN; sposób polaryzacji złącz determinuje stan prac tranzystora.

Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika, nazywane:

• emiter (ozn. E),

• baza (ozn. B),

• kolektor (ozn. C).

Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

Zasada działania tranzystora NPN polega na tym, że przez złącze BE przepływają nośniki większościowe ładunku, w tym przede wszystkim elektrony swobodne z emitera (typ n) do bazy. Również dziury z obszaru bazy (typ p) przepływają przez złącze do emitera. Prąd dziurowy jest znacznie mniejszy ze względu na mniejszą liczbę dziur, wynikającą z mniejszej objętości emitera. Mniejsza część elektronów swobodnych po osiągnięciu obszaru bazy wypełnia istniejące tam dziury, czyli podlega procesowi rekombinacji. Znacznie większa część elektronów swobodnych po znalezieniu się w obszarze bazy jest przyciągana przez kolektor i przepływa przez złącze BC spolaryzowane zaporowo, tak jak własne nośniki mniejszościowe bazy. Wypływające z emitera elektrony swobodne tworzą prąd emitera I_E, który rozdziela się w obszarze bazy na mały prąd bazy I_B i duży prąd kolektora I_C.

Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza. Miarą tego na ile prąd kolektora odpowiada prądowi emitera jest współczynnik ၡ nazywany zwarciowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu emitera (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WB), definiowany jako:

ၡ = (I_C-I_C0)/I_E

    gdzie I_C0 jest prądem złącza kolektorowego spolaryzowanego zaporowo przy I_B=0.

    Konstrukcja tranzystora bipolarnego, a głównie małe rozmiary bazy sprawiają, że stosunek między prądem kolektora, a prądem bazy jest stały. Stosunek I_C/ I_B nazywa się współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu bazy (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WE) i oznacza się symbolem ၢ.

I_E = I_C + I_B
I_C = ၢI_B

    Zależność pomiędzy obydwoma współczynnikami opisuje równanie:

ၢ = ၡ / (1-ၡ)

    Stały stosunek I_C/ I_B oznacza, ze pewnej wartości prądu bazy I_B odpowiada określona wartość prądu kolektora I_C. Można zatem zmieniać prąd bazy po to aby uzyskiwać ၢ-krotnie większe zmiany prądu kolektora. Uzyskuje się zatem wzmocnienie przez tranzystor mocy sygnału sterującego. Większą moc sygnału w obwodzie kolektora otrzymuje się kosztem mocy czerpanej z zasilacza.

    Dla sygnałów zmiennoprądowych o małych amplitudach tranzystor jest czwórnikiem liniowym. Czwórnik opisywany jest za pomocą czterech wielkości wyrażających napięcia i prądy na jego wejściu i wyjściu. Aby móc opisać go za pomocą układu równań dwóch zmiennych należy dwie z czterech wielkości czwórnika opisać za pomocą dwóch pozostałych. W zależności od tego, które ze zmiennych uznane zostaną za zmienne zależne, a które za zmienne niezależne otrzymać można 6 różnych układów równań. Najczęściej wykorzystywane są jednak układy z parametrami:

a) impedancyjnymi:

U₁ = z₁₁I₁ + z₁₂I₂
U₂ = z₂₁I₁ + z₂₂I₂

b) admitancyjnymi:

I₁ = y₁₁U₁ + y₁₂U₂
I₂ = y₂₁U₁ + y₂₂U₂

c) mieszanymi h (układ z parametrami hybrydowymi):

U₁ = h₁₁I₁ + h₁₂U₂
I₂ = h₂₁I₁ + h₂₂U₂

Na poniższym wykresie charakterystyki wyjściowej tranzystora pokazano przykład dozwolonego obszaru pracy tranzystora:

Tranzystor pracujący w dowolnym układzie pracy charakteryzują prądy przez niego płynące i napięcia panujące na jego zaciskach. W związku z tym można określić cztery rodziny statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych, które przedstawione zostały na poniższych rysunkach:

1) Charakterystyka wyjściowa tranzystora, przedstawiająca zależność prądu kolektora I_C od napięcia kolektor-emiter U_CE przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter U_BE i stałym prądzie bazy I_B. Z charakterystyki tej można stwierdzić iż powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia U_CE, oraz że do wywołania dużej zmiany prądu kolektora ၄I_C wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter ၄U_BE
2) Charakterystyka przejściowa przedstawia prąd kolektora I_C jako funkcję napięcia baza-emiter U_BE, oraz I_B =const. Charakterystyka ta ma charakter wykładniczy.
3) Charakterystyka wejściowa opisuje zależność prądu bazy I_B od napięcia baza-emiter U_BE, przy stałym napięciu kolektor-emiter U_CE. Charakterystyka ta, podobnie jak i następna jest wykorzystywana rzadziej od dwóch wcześniejszych.
4) Charakterystyka zwrotna przedstawia zależność prądu kolektora od prądu kolektora I_C od prądu bazy I_B, przy U_CE=const Widać na niej, że prąd kolektora jest w pewnym stopniu proporcjonalny do prądu bazy.

    Znając charakterystykę wejściową i wyjściową (podawane w katalogach), można wyznaczyć dwie pozostałe poprzez rzutowanie na oś odpowiednich punktów należących do znanych charakterystyk. Postać charakterystyki wejściowej i wyjściowej jest taka sama, jak charakterystyki złącza półprzewodnikowego polaryzowanego odpowiednio w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym.

---