Materiały pomocnicze do ćwiczenia nr. 8 

 

TRANZYSTOR BIPOLARNY 

 

Podstawy teoretyczne 

1.1. Tranzystor bipolarny. Budowa, zasada działania. 

Tranzystor bipolarny jest przyrządem półprzewodnikowym o dwóch złączach p-n 

zbudowanym z trzech warstw półprzewodników domieszkowych wykazujących kolejno 
przewodnictwa typu p-n-p lub n-p-n. Są one uzyskane w monokrysztale półprzewodnika, 
najczęściej krzemu (rys. 1). 

Warstwa wewnętrzna nazywa się bazą (B) a warstwy zewnętrzne emiterem (E) i 

kolektorem (C). Emiter baza i kolektor mają doprowadzenia metaliczne zwane elektrodami 
tranzystora. 

 

Rys. 1. Struktura , polaryzacja elektrod i symbol graficzny tranzystora: 

a) typu p-n-p 
b) typu n-p-n 

Stan tranzystora zapewniający uzyskanie przez niego właściwości wzmacniających 

uzyskuje się przez odpowiednią polaryzacją elektrod (rys. 1). Złącze emiterowe 
spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia , zaś kolektorowe w kierunku zaporowym. 
Zachodzące w tranzystorze zjawiska fizyczne wyjaśniono na przykładzie tranzystora p-n-p. 
(rys. 2). 

W stanie równowagi, bez polaryzacji zewnętrznej na obu złączach tranzystora występują 

bariery potencjału (U

1

 i U

2

 na rys.2a) spowodowane rekombinacją dziur z obszarów emitera i 

kolektora z elektronami obszaru bazy. 

 

1

Zaznaczone na rys. 2a  ładunki „+” i „-” oznaczają odpowiednio ładunki nieruchomych 

jonów donorowych i akceptorowych. 

 

Rys. 2.  Zasada działania tranzystora: 
 

a) tranzystor niespolaryzowany, 

 

b) tranzystor z polaryzacją kolektora, 

 

c) tranzystor w stanie normalnej polaryzacji kolektora i emitera.

 

Jeżeli złącze kolektorowe (I

2

) zostanie spolaryzowane w kierunku zaporowym przez 

włączenie źródła E

C 

, zwiększy się bariera potencjału U

2

 między kolektorem a bazą (rys.2b). 

W obwodzie baza-kolektor płynie prąd o małym natężeniu zwany kolektorowym prądem 
zerowym I

CB0

. Jest on wynikiem ruchu nośników mniejszościowych

1

 generowanych 

termicznie, zależy więc od temperatury. Dziury z bazy wpływają do kolektora, natomiast 
elektrony z kolektora do bazy. 

Jeżeli połączymy źródło E

E 

, polaryzujące złącze emiterowe (J

1

) w kierunku przewodzenia 

(rys. 2c) to obniży się bariera potencjału U

1

 między emiterem a bazą. Dziury z emitera 

przepływają drogą dyfuzji do obszaru bazy, gdzie częściowo rekombinują. Ponieważ 
szerokość bazy jest niewielka i np. w tranzystorach małej mocy zawiera się w granicach (0,3-
1)

μm, liczba rekombinujących dziur w bazie stanowi (1-5)% dyfundujących z emitera dziur. 

Większość dziur osiąga więc złącze kolektorowe i jest unoszona do obszaru kolektora. Miarą 
„ubytku” dyfundujących nośników większościowych emitera (prądu emitera) jest tzw. 
współczynnik wzmocnienia prądowego 

α, przy czym 

 

α =

Δ
Δ

I
I

C

E

 (1) 

gdzie: 

ΔI

C 

, 

ΔI

E

 - przyrosty prądu: kolektora i emitera. 

                                                 

1

 Nośnikami mniejszościowymi są dziury w półprzewodniku typu n oraz elektrony w półprzewodniku typu p 

 

2

Wartość współczynnika 

α jest nieco mniejsza od jedności i zawiera się w granicach (0,95-

0,99). Wobec tego na podstawie rys. 2c jest: 
 

I

I

I

C

E

CB

=

+

α

0

 (2) 

W rozpatrywanym układzie tranzystora sygnałem wejściowym (sterującym) jest prąd 

emitera, zaś wyjściowym prąd kolektora. Taki układ nazywa się układem o wspólnej bazie 
(OB). Mimo braku wzmocnienia prądowego można uzyskać w nim duże wzmocnienie mocy, 
dzięki znacznemu wzmocnieniu napięciowemu. Jest bowiem spełniona zależność: 

 

U

I

R

U

I

R

WE

E

BE

WY

C

CB

=

⋅

<<

=

⋅

 (3) 

Spełnienie nierówności (3) wynika z faktu, że rezystancja baza-emiter R

BE

 jest mniejsza od 

rezystancji kolektor-baza R

CB

 (złącze kolektorowe spolaryzowane w kierunku zaporowym). 

Działanie tranzystora n-p-n jest analogiczne do działania tranzystora p-n-p z tą różnicą, że 

napięcia polaryzujące są przeciwnych znaków, zaś na prąd emitera składa się ruch 
elektronów, a nie dziur. Na rys. 3 przedstawiono zasadnicze układy pracy tranzystora. 

W układzie o wspólnym emiterze (rys. 3b) prądem wejściowym (sterującym) jest prąd 

bazy a wyjściowym prąd kolektora. Zależność między tymi prądami powstaje po 
podstawieniu prądu emitera obliczonego z I-go prawa Kirchhoffa, czyli: 

 

Rys. 3.  Zasadnicze układy pracy tranzystora: 

a) o wspólnej bazie (OB), 

b) o wspólnym emiterze (OE), 

c) o wspólnym kolektorze (OC). 

 

I

I

I

E

B

C

=

+  (4) 

do wzoru (2) 
 

I

I

I

I

C

B

C

CB

=

+

+

α(

)

0

 (5) 

Stąd po przekształceniu otrzymuje się wyrażenie: 

 

I

I

C

B

=

I

CB

−

+

−

α

α

α

α

1

1

0

 (6) 

Po wprowadzeniu oznaczeń: 

β

α

α

=

−

1

 , 

I

CE

CB

0

1

=

I

0

−

α

α

 (7) 

 

3

otrzymuje się zależność (6) w postaci: 
 

I

I

I

C

B

CE

=

+

β

0

 (8) 

gdzie: 
 

β - współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie OE 

 

I

CE0

 - prąd zerowy kolektor-emiter w układzie OE (rys.1b) 

Po uwzględnieniu ze wzoru (7), że  

α

β

β

=

+

1

  i podstawieniu do wzoru (6) otrzymuje się 

związek: 

 

β =

−
+

I

I

I

I

C

CB

B

CB

0

0

 (9) 

Jest to wzór umożliwiający wyznaczenie 

β jako tzw. statycznego (stałoprądowego) 

współczynnika wzmocnienia prądowego w układzie OE. W katalogach podaje się wartość 
współczynnika h

21e

 oznaczającego współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie OE. 

odpowiadającą przyrostom prądów wejściowego i wyjściowego, czyli: 

 

0

U

B

C

e

21

CE

I

I

h

=

Δ

Δ

=

 (10) 

Współczynnik 

α jest bliski jedności, zatem β>>1. Typowe wartości współczynnika  β 

zawierają się w granicach 20 ÷ 900. 

W przypadku układu ze wspólnym kolektorem (rys. 3c) otrzymuje się zależność prądu 

wyjściowego (I

E

) od wejściowego I

B

 w analogiczny sposób jak dla układu OE. Opisuje ją 

wzór: 

 

I

I

I

CE

E

B

= +

+

(

)

1

0

β

 (11) 

Dla każdego z trzech układów pracy tranzystora, celem ułatwienia analizy układów 

wzmacniających w zakresie dużych zmian prądów i napięć przy małej częstotliwości, podaje 
się charakterystyki statyczne, najczęściej wejściową i wyjściową. Na rys. 4  podano typowy 
przebieg charakterystyk statycznych tranzystora n-p-n w układzie OE. 

 

 

Rys. 4 

Statyczne charakterystyki tranzystora w układzie OE. 

a) wejściowa 
b) wyjściowa 

 

4

1.2.  Analiza pracy jednostopniowego wzmacniacza   tranzystorowego prądu 

zmiennego w układzie OE. 

Rozpatrzmy przedstawiony na rys. 5 prosty układ wzmacniacza małej częstotliwości z 

tranzystorem pracującym w konfiguracji OE. Przy braku zmiennego sygnału wejściowego 
(u

1

=0) wzmacniacz znajduje się w tzw. stanie spoczynkowym. W układzie płyną stałe prądy 

I

B

, I

C

, I

E

. Pisząc równania dla oczek   ,  dostajemy związki: 

 

BE

B

B

B

U

E

I

R

−

=

 (12) 

 

CE

C

C

C

U

E

I

R

−

=

 (13) 

Z równania (12) wynika zależność określająca wartość spoczynkowego prądu bazy: 

 

Rys. 5 

Wzmacniacz tranzystorowy w układzie OE. 

 

I

E

U

R

B

B

B

B

0

=

E

−

 (14) 

przy czym: U

BE

 - napięcie progowe złącza emiterowego (0,7 V) 

Równanie (13) opisuje w układzie współrzędnych I

C ,

 U

CE

 tzw. prostą pracy wzmacniacza 

(rys. 6). Punkt przecięcia P, odpowiadającej prądowi bazy I

B0

 charakterystyki I

C

=f(U

CE

) z 

prostą pracy, ma współrzędne równe składowym stałym napięcia kolektorowego U

CE0

 i prądu 

kolektora I

C0 

. 

Jeżeli pojawia się sygnał wejściowy w postaci napięcia przemiennego u

1

, np. 

sinusoidalnego o równaniu u

1

=U

1m

sin

ωt, to wymusza on w obwodzie bazy sinusoidalny prąd 

o amplitudzie: 

 

(

)

BE

1

m

1

2

BE

1

2

S

m

1

Bm

r

R

U

r

R

C

1

U

I

+

≈

+

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

ω

=

 (15) 

gdzie: 
r

BE

 - rezystancja dynamiczna złącza emiterowego w kierunku przewodzenia (kilka k

Ω),  

 

  

1

ωC

S

  dużo mniejsze od (R

1

+r

BE

). 

 

5

 

 

Rys. 6 

Analiza graficzna wzmacniacza w układzie OE z rys. 5 

Składowa zmienna prądu bazy powoduje okresowe przesuwanie się punktu P po prostej 

pracy od punktu P’ do P”, co wywołuje pojawienie się składowych zmiennych: prądu 
kolektorowego i

Cz

(t) i napięcia u

CEz

(t) o równaniach: 

 

t

sin

I

)

t

(

i

Cm

Cz

ω

=

 (16) 

 

t

sin

U

)

t

(

u

CEm

CEz

ω

−

=

 (17) 

Znak minus we wzorze (17) oznacza, że dodatniemu przyrostowi prądu bazy odpowiada 

ujemny przyrost napięcia kolektorowego, a zatem omawiany wzmacniacz przesuwa fazę 
napięcia wejściowego o 

π rad. Ponieważ napięcie wyjściowe u

2

 jest równe napięciu u

CE 

 

(rys.5), więc wzmocnienie napięciowe wzmacniacza wynosi : 

 

k

U

U

U

U

u

CEm

m

=

=

Δ

Δ

2

1

1

 (18) 

Jeżeli przyjąć że odbiornikiem włączonym do wzmacniacza jest rezystor R

C 

, to składowa 

zmienna napięcia na nim wynosi: 

 

)

t

(

i

R

)

t

(

u

Cz

C

Rz

=

 (19) 

z równania (13) dla składowej zmiennej jest: 

 

)

t

(

u

)

t

(

u

E

)

t

(

i

R

CEz

CEz

C

Cz

C

−

=

−

Δ

=

  (bo 

0

F

C

=

Δ

) (20) 

czyli: 

 

6

 

)

t

(

u

)

t

(

u

CEz

Rz

−

=

 (21) 

wobec tego: 
 

Δ

Δ

U

U

U

R

CE

CEm

=

=

 (22) 

czyli amplituda napięcia na odbiorniku R

C

 jest taka sama jak napięcia kolektor-emiter. 

Wzmocnienie napięciowe może więc być obliczone ze wzoru (18). Wzmocnienie prądowe 
oblicza się ze wzoru: 

 

k

I
I

I
I

i

C

B

Cm

Bm

=

=

Δ
Δ

 (23) 

Najczęściej jednak odbiornik włączony jest za pośrednictwem kondensatora C

S

 między 

kolektor a masę, czyli jak na rys. 7. Sprzężenie pojemnościowe z odbiornikiem dotyczy 
szczególnie przypadku, gdy obciążeniem wzmacniacza jest następny stopień wzmacniający 
(wzmacniacz wielostopniowy). 

 

 

Rys. 7  Wzmacniacz tranzystorowy OE z odbiornikiem włączonym między kolektorem a masą 

 

R

0

 oznacza rezystancję obciążenia wnoszoną np. przez następny stopień. Uwzględniając, 

że X

CS

<<R

0

 impedancję obciążenia stanowi praktycznie tylko rezystancja R

0 

. Pojemność C

S

 

blokuje przepływ składowej stałej prądu odbiornika. Pisząc równanie dla oczka 

 ( s. 7) dla 

składowych zmiennych (

ry

O

S

R

C

1

ω

rzymuje się związek: 

<<

) ot

 

(

)

0

R

i

R

i

i

O

O

C

O

Cz

=

+

+

 (24) 

gdzie: 
i

Cz 

, i

0

 - składowe zmienne odpowiednio prądu kolektora i odbiornika 

I

C0 

, U

CE0

 - składowe stałe prądu i napięcia kolektora 

Ponieważ przy pomijalnym spadku napięcia na kondensatorze C

S

 dla składowej zmiennej 

prądu i

0

: 

 

CEz

O

O

u

R

i

=

 (25) 

czyli: 

 

O

CEz

O

R

u

i

=

 (26) 

 

7

 
więc po uwzględnieniu wzorów (25) i (26) we wzorze (24) otrzymuje się zależność: 

 

0

R

R

u

R

R

u

i

O

O

CEz

C

O

CEz

Cz

=

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

 (27) 

Stąd dostajemy równanie: 

 

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

−

=

⋅

1

R

R

u

R

i

O

C

CEz

C

Cz

 (28) 

Po zróżniczkowaniu równania (28) stronami względem i

Cz

 mamy: 

 

0

C

0

C

0

C

C

Cz

CEz

R

R

R

R

1

R

R

R

di

du

+

−

=

+

−

=

 (29) 

Ze wzoru (29) wynika, że nachylenie prostej pracy względem osi i

C

 jest dla tego 

przypadku, mniejsze niż dla składowej stałej (

R R

R

R

R

C

O

C

O

C

+

<

). Otrzymaną prostą pracy 

nazywamy wówczas prostą dla składowych zmiennych. Zaznaczono ją na rys.8 linią 
przerywaną. 

 

 

Rys. 8.  Proste pracy wzmacniacza przedstawionego na rys.7 
 

1 - dla składowej stałej, 

 

2 - dla składowej zmiennej. 

 
Łatwo zauważyć,  że podłączenie odbiornika R

O

 zmniejsza wzmocnienie napięciowe 

wzmacniacza gdyż 

2

 (rys.8) 

2

U

U

CEm

CEm

*

<

Wobec tego 

wzmocnienie napięciowe: 

k

U

U

U

U

u

O

CE

m

=

=

m

Δ

Δ

1

1

*

, (30) 

 

8

wzmocnienie prądowe: 

k

I
I

U

R

I

U

R I

i

Om

Bm

CEm

O

Bm

CEm

O Bm

=

=

=

*

*

 (31) 

We wzmacniaczach przedstawionych na rys. 5 i rys. 7 zastosowano zasilanie tranzystora z 

dwóch  źródeł napięcia stałego. W układach praktycznych stanowi to dużą niedogodność, 
dlatego stosuje się trzy zasadnicze układy polaryzacji tranzystora z jednym źródłem. 
Przedstawiono je na rys. 9. 

 

Rys. 9  Różne sposoby polaryzacji tranzystora we wzmacniaczu OE. 

W układzie pierwszym (rys. 9a), spoczynkowy prąd bazy ustalony jest wartością 

rezystancji R

B

 tzn. 

 

I

E

U

R

BO

C

B

B

=

E

−

;  

U

BE 

= 0,7V 

(32) 

Wadą tego układu jest duża zależność parametrów spoczynkowego punktu pracy 

wzmacniacza od temperatury. 

Stabilizację termiczną punktu pracy zapewnia układ drugi (rys. 9b), w którym za 

pośrednictwem rezystora R

B

 uzyskuje się ujemne sprzężenie zwrotne. dzięki temu wrażliwość 

wzmacniacza na temperaturowe zmiany parametrów wzmacniacza jest mniejsza. 

Na przykład, jeżeli wskutek zmiany temperatury wzrasta wartość  I

C0

, to maleje napięcie 

U

CE0

 (U

CE0 

= E

C

-I

C0

R

C

), co pociąga za sobą zmniejszenie prądu I

B0

 (I

U

U

R

BO

CEO

BE

B

=

−

), a to 

z kolei prowadzi do zmniejszenia prądu I

C0

 (I

I

CO

BO

≅ β

). Tak więc skutek oddziałuje tłumiąco 

na przyczynę. Jest to cechą charakterystyczną ujemnego sprzężenia zwrotnego. 

Najpowszechniej stosowany układ trzeci (rys. 9c) zawiera dzielnik napięcia zbudowany z 

rezystorów R

1 

, R

2

 zapewniający określony prąd I

B0 

, oraz elementy R

E 

, C

E 

, dzięki którym 

realizowane jest ujemne sprzężenie zwrotne dla składowych stałych. Przez kondensator C

E

 o 

dużej pojemności płynie składowa zmienna prądu emitera, natomiast składowa stała tego 
prądu w rezystorze R

E

 wywołuje zależność prądu bazy od prądu kolektora. Przykładowo, 

jeżeli ze wzrostem temperatury wzrasta prąd I

C0

, to rośnie również prąd I

E0

 a więc i spadek 

napięcia R

E

I

E0 

. Powoduje to zmniejszenie napięcia U

BE

 a więc i prądu I

B0

 (charakterystyka na 

rys. 4a

). Ponieważ 

, zmniejszenie prądu I

B0

 pociąga za sobą zmniejszenie prądu 

I

C0

, czyli dochodzi do tłumienia pierwotnej zmiany prądu kolektora. W ten sposób osiąga się 

stabilizację punktu pracy wzmacniacza. 

I

I

CO

BO

≅ β

1.3. Wzmacniacz w układzie OC (wtórnik emiterowy). 

 

9

Schemat układu prostego wzmacniacza OC przedstawiono na rys. 10. Dzięki rezystorowi 

R

E

 realizowane jest silne ujemne sprzężenie zwrotne zarówno dla składowej stałej jak i 

zmiennej prądu emitera. 

Wzmacniacz ten charakteryzuje się współczynnikiem wzmocnienia napięcia bliskim 

jedności (u

2

≈u

1

) - stąd nazwa wtórnik emiterowy, dużą rezystancją wejściową i małą 

wyjściową. Wzmocnienie prądowe jest równe w przybliżeniu 

β. W związku z tym wtórniki 

stosuje się jako układy dopasowujące np. przy pomiarze napięć źródeł bardzo małej mocy, np. 
termoelementu. W przeciwieństwie do wzmacniacza OE wtórnik emiterowy nie odwraca fazy 
napięcia wejściowego. 

 

Rys. 10  Wtórnik emiterowy. 

 

 

 

10