5. Polovodičové diody
a) Plošné diody a hrotové diody, Shottkyho diody
b) Stabilizační dioda, tunelová dioda a inverzní dioda
c) Dioda P+PN a dioda PIN
d Kapacitní dioda
e) Lavinová dioda a Gunnova dioda
f) Fotodioda
g) LED – světelná emisní dioda
h) Magnetodioda
i) Dvoufázová dioda (jednopřechodový tranzistor)
6. Tranzistory
a) Bipolární tranzistor
b) Unipolární tranzistor (FET)
c) Tranzistor s přechodovým hradlem (JFET)
d) Tranzistor s izolovaným hradlem (IGFET)
7 Tyristory
8. Diak a triak
a) Plošné diody a hrotové diody, Schottkyho diody
Polovodičová dioda je nelineární součástka s usměrňovacím účinkem, jejíž teoretickou charakteristiku lze odvodit z rovnice pro přechod PN:
Exaktně je tato charakteristika použitelná pouze v okolí průchodu nulou.
Teoretická a skutečná charakteristika polovodičové diody, schematická značka:
Při závěrném napětí větším než asi 0,5 V roste závěrný proud jen nepatrné. Jde o ztrátový proud způsobený nerovnoměrnostmi na hraničních plochách přechodu PN. Při propustném napětí vyšším než 0,5 V se odchyluje skutečný průběh charakteristiky od ideálního exponenciálního průběhu, protože se proud v důsledku dosud zanedbaného vlastního odporu krystalu – tzv. odporu dráhy – zmenší proti teoreticky odvozené hodnotě. Přiložené napětí se tedy rozdělí na napětí na závěrné vrstvě a na úbytek napětí na odporu krystalu.
Protože odpor dráhy lze předpokládat ve velikostí (1 až 300) ohmů, nehraje v závěrném stavu, kdy může proud nabývat hodnot řádu (nA) až (µA), žádnou roli. Podobně nemá vliv závěrný (ztrátový) proud v propustném stavu, protože tam proud dosahuje hodnot řádově (mA) až (A).
Podle teoretického průběhu proudu lze při pokojové teplotě odvodit strmost pro polovodičovou diodu v přímém směru:
tj. pro přímý směr s :
Tento vztah samozřejmě platí jen přibližně. Proti skutečné strmosti je teoretická strmost 2krát až 4krát větší. Porovnáme-li strmost běžné vakuové diody v oblasti prostorového náboje, která může být udána vztahem:
je vidět, že strmost u vakuové diody je mnohem menší než strmost u polovodičové diody.
Reálná a idealizovaná charakteristika polovodičové diody:
Pro impulsovou techniku, vycházející z binárních (dvouhodnotových) signálů, jsou zajímavé jen dva možné stavy, a proto se může charakteristika reálné polovodičové diody idealizovat pomocí dvoutečen. V průsečíku obou tečen dostáváme prahové napětí U(TO). Nad tímto prahovým napětím, které je podle typu diody mezi (0,2 až 2) V, má dioda propustný odpor rf (forward resistance) 1 až 300 ohmů. Pod tímto prahem klade průchodu proudu závěrný odpor rr (reverse resistance) (řádově Mohmy). Poměr rr/rf je spínací poměr a 
je charakteristický odpor diody. Typické hodnoty pro komerční diody jsou uvedeny v tabulce níže. V případě křemíkových a germaniových diod jde o hrotové diody, selenové diody jsou plošné s plochou přechodu 1 mm2.
Charakteristické údaje polovodičových diod:
| Druh diody | rf (Ω) | rr (MΩ) | U(TO) (V) | rr/rf | (kΩ) |
| Ge | 3 až 500 | 0,05 až 4 | 0,25 | 2 000 až 105 | 0,5 až 20 |
| Si | 1 až 300 | 400 až 5 000 | 0,6 | 106 až 108 | 102 až 103 |
| Se | 300 až 3 000 | 1 až 10 | 0,5 až 1,5 | ≈3·103 | ≈50 |
Všechny diody mají větší nebo menší vedlejší kapacitní účinky. Je to způsobeno závěrnými vrstvami, které jsou ochuzeny z hlediska počtu volných nosičů náboje. Tyto vrstvy působí mezi oblastmi P a N, silně obohacenými pohyblivými nosiči náboje; jako dielektrikum mezi dvěma kondenzátorovými deskami. Kromě ventilového charakteru závěrné vrstvy musíme respektovat také její kapacitu; kapacitu závěrné vrstvy. Kromě statických hodnot musí být proto, nějakým způsobem ohodnoceno dynamické chování diod. Udává se dobou zotavení, tj. za jakou dobu dosáhne dioda ze svého plně propustného stavu závěrného stavu. Tak např. můžeme z katalogu číst: při propustném proudu 5 mA bylo skokem přiloženo závěrné napětí -5 V. Po 0,5 µs byl ještě měřitelný proud 0,25 mA a po 3,5 µs proud 0,025 mA. Mohou však také být uváděny údaje pro průběh závěrného napětí a proudu v případě, že proud skokem vypne.
Polovodičová dioda je vytvořena polovodičovým krystalem, který je na jedné straně dotován P a na druhé N. Spojením obou různě dotovaných oblastí na určitých plochách dostáváme plošnou diodu. V jiném případě při kvazibodovém doteku jde o hrotovou diodu.
Z hlediska výrobních postupů a vzhledem k vysoké proudové zatížitelnosti se začaly velmi používat plošné diody. Při vysokých frekvencích je jejich použití problematické, protože mají poměrně velkou kapacitu závěrné vrstvy (až do několika stovek pikofaradů). Kapacita totiž roste úměrně s plochou destičky. Tím se vyskytují u plošné diody relativně dlouhé doby zotavení, tj. dochází ke zpoždění signálu.
Má-li být kapacita velmi malá (jak se požaduje v mnoha zapojeních impulsové techniky), musíme udržet malou kontaktní plochu. Toho se dosahuje u hrotových diod. Při nasazení kovového hrotu (např. zlatého drátku legovaného indiem) na polovodičový krystal vodivosti N lze odpovídajícím teplotním procesem v místě doteku vytvořit v okolí hrotu v polovodiči N tenkou oblast P. Vzniká tedy přechod PN s dříve popsanými vlastnostmi, který však má kapacity závěrné vrstvy řádu jen (0,5 až 1) pF, tj: dioda je téměř bezkapacitní.
Další speciální vývoj tohoto typu diody představuje Schottkyho bariérová dioda, nazývaná zkráceně Schottkyho dioda. Také ona obsahuje kovový kontakt na polovodiči N (nejčastěji Si nebo GaAs), čímž vzniká závěrná vrstva takového druhu, že při pólování v přímém směru prochází proud (pouze elektronů) z oblasti N do kovu – jde o proud v jednom směru (unipolárni). Protože se přitom nehromadí minoritní nosiče, pouze se projevuje nepatrný kapacitní efekt, může tato dioda při změně polarity signálu z přímého do zpětného směru tuto změnu sledovat rychleji než běžný typ s přechodem PN. K významným vlastnostem těchto diod se počítá mj.: závěrné proudy střední velikostí, nízká prahová napětí, nepatrný šum a krátké spínací doby. Nejběžnější diody v elektrotechnice jsou v současné době germániové a křemíkové diody. Jejich přednosti a nedostatky lze shrnout takto:
Germaniová dioda:
rychlé spínání (velká pohyblivost
malé prahové napětí (0,3 V až 0,5 V)
malé závěrné napětí
nízká mezní teplota (75°C)
poměrně velké závěrné proudy (v důsledku velkého nI), a tím značná teplotní závislost.
Křemíková dioda:
poměrně pomalé spínání (malá pohyblivost )
velké prahové napětí (0,5 V až 1,1 V), vysoké závěrné napětí
vysoká mezní teplota (150°C), malé závěrné proudy (vlivem poměrně malého nI)
malá teplotní závislost.
Můžeme tedy říci, že se oba typy podle použití dobře doplňují. Jsou vyráběny ve skleněném, kovovém nebo plastovém pouzdru. K označení elektrod se bud používá symbol, nebo je na straně katody vytištěn bod, popř. čárka. Z dalších používaných polovodičových materiálů, popř. materiálů podobných polovodičovým, můžeme pro úplnost jmenovat: selen, indiumantimonid, indiumarsenid, indiumfosfid, galliumarsenid, aluminiumantimonid atd. Obecně se u polovodičových diod využívá skutečnosti, že při pólování v přímém směru je průchodu proudu kladen nízký odpor, při opačném pólování vysoký odpor a že v určitém rozsahu (v okolí nulového bodu) vzniká nelinearita mezi proudem a napětím. Tyto polovodičové ventily se používají v moderní rádiové, rozhlasové a televizní technice, v logických obvodech impulsové techniky, ale rovněž v usměrňovačích, střídačích a v silnoproudých usměrňovacích zařízeních.
b) Stabilizační dioda, tunelová dioda a inverzní dioda
U stabilizační diody (tj. napěťové regulační nebo napěťové referenční diody) se v oblasti kolem závěrného napětí až 1000 V (podle typu) objevuje náhle průběh se značně malým odporem. Tento průraz, tj. ztráta závěrných vlastností, může mít dvě příčiny:
a) Při průrazném napětí od 0 do 5,6 V jde o vnitřní emisní jev: je-li polovodičový materiál vysoce dotován, objevuje se podle rovnice:
velmi tenká závěrná vrstva s šířkou dzv, ale zároveň podle rovnice:
se objevuje poměrně vysoké difúzní napětí 
. To má za následek vysokou intenzitu pole E (V/m). Přičte-li se k intenzitě E zvenku přiložené závěrné napětí, stoupá podle rovnice:
dále intenzita pole, asi při 107 V/m bude tak velká, že stačí k tomu, aby uvolnila vázané nosiče nábojů z atomových vazeb. V důsledku emise bude existovat mnoho volných nosičů náboje a proud prudce vzroste.
Charakteristika, schematická značka a Fermiho hladiny stabilizační křemíkové diody pólované ve zpětném směru v porovnání s charakteristikou germaniové diody:
b) Nastane-li průraz při závěsném napětí větším než 5,6 V, vznikne lavinový jev:
Při větších napětích je energie e0U pohybujících se nosičů náboje tak velká, že při srážce s atomy vyrazí jeden nebo více dalších nosičů náboje, které jsou použitelné jako další volné nosiče, a vlivem nárazové ionizace dochází k lavinovému jevu. Také zde vzniká prudký nárůst proudu. Jak je ukázáno na obrázku výše, nastává průraz zvláště zřetelně u křemíkových diod.
Křemíková stabilizační dioda může být v této oblasti průrazu použita (vlivem vysokého nárůstu proudu při téměř konstantním napětí) jako referenční nebo regulační napěťová dioda. Protože růst teploty podporuje vnitřní emisní jev, zatímco lavinový jev působí opačně, je při napětí 5,6 V, kde se oba jevy překrývají, vliv teploty minimální. Také „koleno“ charakteristiky je v tomto rozsahu vzhledem k současnému působení obou jevů nejvýraznější. V praxi proto, pokud je to možné, používáme výhodně stabilizační diody s průrazným napětím kolem 6 V.
Nyní se vyskytne otázka, zda takovýto průraz, tj. tak rychlý nárůst proudu, nemůže vést ke zničení diody. V zásadě lze říci, že k zničení polovodičových součástek dochází nejvíce vlivem tepelného průrazu, tj. jestliže se v závěsné vrstvě v určitém bodě hustota proudu příliš zvětší, vznikne oblouk, který zničí vlastnosti přechodu PN. Proto se vyžaduje pro každý přechod PN přesná hranice dotování a pro každou diodu, tedy také pro stabilizační diodu, omezení velikostí propustného proudu, aby nemohlo dojít k přehřátí závěrné vrstvy. Přívod příliš velkého množství tepla v každém případě krystal zničí. V této souvislosti je třeba poznamenat, že při nedostatečné vnější ochraně polovodičového materiálu nastává vlivem existence cizích atomů a s tím spojených chemických změn krystalu často předčasný výpadek součástky. Speciální vytvoření Zenerova jevu je předpokladem pro tunelové a inverzní diody.
U tunelové diody jsou polovodiče P a N tak vysoce dotovány, že se již vlivem difúzního napětí objevuje v závěsné vrstvě taková intenzita pole, která je schopna vyvolat vnitřní emisi. Dosahuje se tím dokonce posunutí průrazu až do oblasti kladných napětí.
Tunelová dioda
a) charakteristika a schematická značka
b) Fermiho hladiny pro oblast (0 až +0,3) V
Tím získáváme charakteristiku v určité oblasti (kolem 0,1 V až 0,3 V) se záporným sklonem. V této oblasti charakteristiky hovoříme o záporném diferenciálním odporu nebo obecně o záporném odporu. Protože je tento jev vhodný k zmenšení tlumení kmitavých obvodů, využívá se tunelová dioda ve vf technice (např. při vytváření oscilací). Jako základní materiál pro tunelovou diodu slouží především germanium a galliumarsenid.
Průběh voltampérové charakteristiky tunelové diody lze nejlépe objasnit pomocí Fermiho hladin. Nejprve vidíme tzv. degenerovaný polovodič, kdy Fermiho hladina leží uvnitř vodivostního pásu nebo ve valenčním pásu. Proud při tunelovém jevu, tj. proud při napětí v přímém směru mezi 0 a 0,3 V, vzniká tím, že volné elektrony bohaté na energii (aniž by musely měnit svou energetickou hladinu pomocí vnějšího napětí) procházejí závěrnou vrstvou (která je díky velkému stupni dotování velmi tenká) do protilehlého valenčního pásu. Děj nazýváme tunelový jev. Při napětí asi 0,3 V prochází diodou propustný proud, tj. odpadá závěrná vrstva, a tím i proud vzniklý při tunelovém jevu. Při napětí pod 0 V je dioda pólována v závěrném směru a chová se jako stabilizační dioda – také zde nevzniká proud tunelovým jevem. Pro ty případy, kdy s pomalu narůstajícím napětím má rychle růst proud, není normální dioda vhodná (vzhledem ke své charakteristice) a tunelovou diodu lze použít jen omezeně (než se charakteristika začne lomit). Provozujeme-li ale tunelovou diodu ve zpětném směru, získáme napěťově citlivou součástku. Tento typ diody se nazývá inverzní dioda. Tento speciální typ diody přibližuje obrázek níže. Je vhodný zejména pro usměrňování malých střídavých napětí.
Charakteristika a schematická značka inverzní diody:
Při použití diody jako usměrňovače je často požadováno, aby průrazné závěrné napětí bylo co největší a odpor v přímém směru rf co nejmenší. Při nízkém dotování se šířka závěrné vrstvy dzv zvětší a difúzní napětí se zmenší, tj. intenzita pole bude malá. Tím vznikne průraz až při poměrně velkém závěrném napětí. Odpor v přímém směru se musí nuceně zvětšovat, protože se zmenšujícím se dotováním klesá také konduktivita y. Vidíme, že oba požadavky se vzájemně vylučují pro normální přechod PN.
Dioda, která pracuje s jednoduchým přechodem PN, má bud jen nízké závěrné napětí, nebo vykazuje v přímém směru nepoměrně vysoký odpor. Snaha sloučit oba požadavky, tj. vysoké závěrné napětí při malém odporu v přímém směru, do jedné diody vedly ke konstrukci diody P+PN (popř. N+NP).
Dioda P+PN (oblast P+ je silně dotována, oblast P je slabě dotována):
Na obrázku vidíme okamžitě, čím se tato konstrukce liší od jednoduchého přechodu PN. Mezi silně dotovanými oblastmi P+ a N je tenká střední vrstva, která se označuje P a která je dotována jen do té míry, aby ji bylo možné jednoznačně zařadit k jednomu typu vodivosti, v tomto případě P. Zůstaňme dále u předpokladu, že střední vrstva je typu P, pak uvažujeme přechod PN mezi oblastmi P a N. To má za následek, že při pólování ve zpětném směru je alespoň na jedné straně přechodu jen velmi nízká hustota nosičů náboje a s přihlédnutím ke vztahu:
jsou volné nosiče náboje přetahovány přes poměrně širokou oblast. Proto je tato dioda vhodná pro podstatně vyšší závěrná napětí.
Pólujeme-li tuto diodu v přímém směru, bude oblast P, která je chudá na volné nosiče náboje, zaplavena volnými nosiči náboje z obou stran tak, že v podstatě zmizí, takže napěťový úbytek se v přímém směru zvětší jen nepatrně. S polovodičovými součástkami P+PN se dnes dosahuje špičkového závěrného napětí mnohem většího než 1000 V. Proud v přímém směru dosahuje nejvýše řádu několika stovek ampérů. Jako výchozí materiál slouží především křemík. Dioda PIN má podobnou stavbu jako P+PN, pouze střední oblast má intrinzickou (vlastní) vodivost. Tím jsou dosažena ještě vyšší závěrná napětí než u diod P+PN, polovodičová oblast I má však v přímém směru poměrně velký odpor a vykazuje s rostoucím napětím, tj. s rostoucí injekcí volně pohyblivých nosičů náboje, silně nelineární závislost mezi proudem a napětím. Protože dioda PIN je stejně jako dioda P+PN „pomalá“, je často používána jako napěťově závislý vysokofrekvenční rezistor. Při přiložení proměnného stejnosměrného napětí, nízkofrekvenčního napětí nebo modulačního signálu se mění odpor diody vlivem oblasti vlastní vodivosti o několik řádů, přičemž vysokofrekvenční signál vzhledem k vysoké frekvenci nemá na změnu odporu vliv. Vysokofrekvenční usměrňovací a násobící jevy tedy odpadají. Jinak se dioda PIN chová ve zpětném směru. Vzhledem k široké závěrné vrstvě v oblasti I má dioda malou kapacitu přechodu a může reagovat velmi rychle na změny signálu. Je vidět, že dioda PIN může být podle způsobu použití rychlá nebo pomalá.
Přechod pólovaný ve zpětném směru představuje dielektrikum, protože je v tomto stavu ochuzenou oblastí s izolačními vlastnostmi. Protože nalevo a napravo od závěrné vrstvy jsou poměrně vysoce vodivé polovodičové oblasti P a N, působí toto uspořádání – dielektrikum mezi dvěma vodivými vrstvami (deskami) – jako kondenzátor s určitou kapacitou. Tuto kapacitu nazýváme kapacita přechodu při pólování diody ve zpětném směru.
Charakteristika kapacitní diody a schematická značka:
Využijme nyní zvláště závislosti šířky závěrné vrstvy na napětí – šířka závěrné vrstvy se zvětšuje podle rovnice v závislosti na přiloženém napětí:
a uvažme, že kapacita je úměrná převrácené hodnotě vzdálenosti desek, tj. kapacita přechodu je nepřímo úměrná šířce závěrné vrstvy dzv.
Pak podle vztahu: je kapacita přechodu nepřímo úměrná odmocnině ze závěrného napětí. Protože tato dioda představuje proměnnou kapacitu, nazýváme ji kapacitní dioda (varaktor nebo varikap). Dnes běžné kapacitní diody mají rozsah kapacit od jednoho do několika set pikofaradů a používají se s úspěchem místo běžných otočných kondenzátorů v rozhlasových nebo televizních přijímačích. Také se používají k automatickému dolaďování nebo regulaci vysokofrekvenčních obvodů.
Protože pro velikost kapacity hraje rozhodující roli užitečná plocha S (
C = S/x), používají se zde přirozeně plošné diody. Další vývoj kapacitní diody vedl k vytvoření rychlé spínací diody, která během provozu v přímém směru na svém přechodu podrží (zapamatuje) určité množství volně pohyblivých nosičů náboje a má přitom odpor v přímém směru asi 1 ohm. Je-li dioda přepólována do zpětného směru, zachová si malou impedanci, dokud nebude odveden veškerý náboj. Pak přepne asi za 0,3 ns na svůj závěrný odpor větší než 10 Mohmů. Tento typ diod představuje generátory vyšších harmonických, které mají velkou účinnost. Mohou tvarovat, zpožďovat nebo násobit impulsy. Jako výchozí materiál se převážně používá křemík (zřídka GaAs).
dioda Lavinová dioda je technologicky podobná kapacitní diodě. Nastane-li od určité hodnoty- napětí lavinový jev (vlivem nárazové ionizace), proletí tato lavina ve směru pohybu nosičů náboje odpovídající oblastí pevné látky vlastní rychlostí za určitou dobu. Zkombinujeme-li takovýto lavinový průletový jev s vhodným rezonátorem, můžeme realizovat mikrovlnný generátor. Oscilátor s lavinovou diodou může dávat výkon až několika wattů při frekvenci vyšší než 100 GHz.
U Gunnovy diody – objevené J. B. Gunnem v roce 1963 – vznikají v úzké germaniové nebo galliumarsenidové monokrystalické destičce (dotované N různou měrou) přiložením stejnosměrného napětí vysokofrekvenční kmity. Přiložíme-li na Gunnovu diodu stejnosměrné napětí, vzniknou při překročení kritické intenzity pole (asi 3,3·105 Vm-1) v blízkosti katody, proudové nestability. Na tomto místě stoupá intenzita a jako tzv. doména se začne pohybovat ve směru k anodě. Jakmile dosáhne doména anody, zanikne a další doména zahájí svou cestu. Oscilátor používající Gunnovy diody je schopen dodávat impulsový výkon několika wattů ve frekvenční oblasti gigahertzů. Zapojíme-li více diod paralelně, můžeme dosáhnout výkonů až několika set wattů.
Další využití přechodu PN představuje fotodioda. Závěrné proudy, tj. proudy minoritních nosičů, jsou, jak známo, silně závislé na teplotě, a to v tom smyslu, že hustota minoritních nosičů se při teplotě zvyšuje, což vyvolává růst proudu. Stejný jev musí nastat při zvyšování (intenzity) osvětlení polovodiče (v luxech), protože světelné záření je podobně jako tepelné záření elektromagnetické vlnění, jehož energii lze spočítat ze vztahu E = hf (h – Planckova kónstanta, f – frekvence).
Závěrný proud je proto závislý na osvětlení, tj. fotodioda mění závěrný proud úměrně k osvětlení. Na obrázku níže je znázorněna soustava charakteristik s parametrem osvětlení E, v luxech (lx).
Fyzikálně jde o vnitřní fotoelektrický jev – na rozdíl od vnějšího fotoelektrického jevu, který nastává u fotočlánku (hradlová fotodioda, vakuová fotodioda), kdy světelná kvanta po dopadu na katodu vyrážejí elektrony. Pro technické aplikace ve spínacích obvodech je u fotodiody zvláště důležité, že může být používána pouze ve zpětném směru. Aby bylo dosaženo vysokých spínacích rychlostí, používají se diody PIN. Průběh charakteristik pro U > 0 je způsoben vnitřním fotoelektrickým jevem.
Charakteristika a schematická značka fotodiody:
Fotodiody mohou být na základě použitého materiálu, např. Ge nebo Si, určeny pro určitou část světelného spektra (červená barva, modrá atd.).
Fotodiody vlivem svých malých rozměrů v podstatě vytlačily obdobné součástky vyráběné na základě vakuových elektronek. Těžiště použití je v oblasti světelných čidel a přenosu informace.
Světelná emisní dioda je nejčastěji galliumarsenidová nebo galliumfosfidová dioda. Emituje viditelné světlo (nejčastěji červené nebo zelené podle dotování materiálu), jestliže je provozována v přímém směru. Tento jev lze vysvětlit takto: Je-li přechod PN pólován v přímém směru, vzniká poměrně velký tok majoritních nosičů. V závěrné vrstvě, kde se srážejí volně pohyblivé nosiče náboje P a N, dochází ke zvýšené rekombinaci. Protože nosiče náboje přitom přecházejí z vodivostního pásu do energeticky nižšího valenčního pásu, musí se uvolnit určitá část energie. To se neděje jako obvykle ve formě tepla, nýbrž ve formě světla. Nejde zde tedy o tepelnou, ale o světelnou emisi, protože elektrická energie se přímo mění ve světelnou.
Uspořádání takovéto světelné emisní diody, anglicky nazývané LED (light-emitting diode), ukazuje obrázek níže. Aby bylo umožněno dobré vyzařování světla, musí být oblast P velmi tenká a kovová anoda musí mít speciální tvar. Řídicí napětí diody je mezi (1,8 až 2) V při proudu (5 až 10) mA. Doba sepnutí je několik set nanosekund. Tato součástka se používá především v oblasti zobrazování dat. Zobrazovaná čísla, písmena nebo jiné symboly jsou vytvářeny ze světelných segmentů uspořádaných ve formě matice. Např. ve speciálně vyvinutém modelu je použito 27 segmentů pro čísla 0 až 9.
Uspořádání světelné emisní diody, schematická značka:
Magnetodiody jsou magneticky citlivé polovodičové součástky, které (jako indiumantimonidové součástky) mění svůj vnitřní odpor v závislosti na vnějším magnetickém poli.
Základní strukturu magnetodiody ukazuje obrázek níže. Magnetodioda je tvořena např. z kvádru germania, který má na jednom konci vodivost P a na druhém N. Základní materiál má vlastní (intrinzickou) vodivost (oblast I), přičemž okrajová oblast r je vytvořena takovým způsobem, že se v ní objevuje vyšší počet rekombinací než v samotné oblasti I.
Uspořádání magnetodiody a schematická značka:
Budou-li nosiče nábojů pohybující se mezi oblastmi P a N vychýleny magnetickým polem vlivem Hallova jevu do oblasti r, nastane větší rekombinace a zvětší se odpor.
ch) Dvoubázová dioda (jednopřechodový tranzistor)
Dvoubázová dioda vykazuje v určité oblasti charakteristiky vzhledem k zápornému sklonu charakteristiky záporný vstupní odpor. Bývá proto používána podobně jako disk v řídicích obvodech triaků, např. jako vysílač impulsů.
Charakteristika, uspořádání a schematická značka dvoubázové diody:
Způsob činnosti je následující: mezi oběma bázemi B2 a B1 je poměrně velký odpor s vodivostí N, takže se při přiložení napětí vytvoří jen malý proud IB2B1. Jestliže se vstupní napětí UEB1 (napětí mezi emitorem E a bází B1) zvětší nad hodnotu vstupního prahového napětí (prahové diodové napětí plus úbytek napětí na přechodu PN až k vývodu B1) – čímž bude přechod PN pólován v přímém směru – velmi rychle stoupne proud IE a zaplaví oblast před B1 volnými nosiči náboje. Tím se odpor úseku dráhy EB1 prudce zmenší, tj. UEB1 se zmenší při rostoucím vstupním proudu IE. Důsledkem je záporný sklon charakteristiky, tj. záporný vstupní odpor. Zmenšení odporu úseku dráhy EB1 však také způsobí prudký vzrůst proudu IB2B1 . Tento proudový ráz – vyvolaný změnou odporu do záporných hodnot – je využíván např. pro zapínání tyristorů.
Vstupní napětí, při kterém dvoubázová dioda zapne, dostaneme z následující rovnice:
U(TO) je prahové napětí vstupní diody EB1. Protože součástka je vytvořena většinou z křemíku, je U(TO) kolem 0,6 V. Konstanta 
je typová konstanta a je definována takto:
přičemž odpor R1 je odpor dráhy od báze B1 až po přechod PN a R1B2 je odpor dráhy od báze B1 k bázi B2. Hodnoty jsou podle typu diody mezi 0,2 až 0,9.
6. Tranzistory
Vývoj tranzistoru
S rostoucími nároky na elektronická zařízení rostla i jejich složitost, rozměry, váha a samozřejmě i cena. Výroba elektronek byla technologicky i finančně velmi nákladná a jejich použití například v oblasti výpočetní techniky bylo značně neekonomické. Například na dnešní poměry velmi primitivní počítač osazený osmnácti tisíci elektronek zaujímal prostor několika místností. Spolehlivost byla nevalná, což vedlo ke zdvojování důležitých částí zařízení. To vedlo k ještě větší těžkopádnosti a složitosti. Potom lze snadno pochopit velký tlak na vývoj nových, kvalitativně odlišných materiálů vhodných pro elektronická zařízení a snaha o co nejlepší využití jejich vlastností.
Co je to vlastně tranzistor ?
Jde o složeninu dvou anglických slov transfer resistor což by se dalo přeložit jako proměnný odpor. Nejedná se ale o reostat, tam ovládáme odpor na základě změny délky vodiče, ale o ovlivňování průchodu proudu přímo elektrickou veličinou. Zjednodušeně lze říci, že se jedná o jistý ekvivalent triody, kde ale řídíme proud napětím mřížky.
Na základě určitých předválečných zkušeností s polovodiči, padla volba právě na ně. A tak byl v lednu 1946 v Bellových telefonních laboratořích v USA založen „polovodičový“ tým ve složení William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain. Hned v lednu 1946 udělali první zásadní rozhodnutí: svoji pozornost zaměřili na krystaly křemíku a germania a zcela ignorovali ostatní materiály používané v předchozích výzkumech. Ke konci roku 1947 se snažili modifikovat vlastnosti povrchové vrstvy germania elektrolyty obklopujícími kovové kontakty. Později nahradili elektrolyty napařeným zlatým bodem, vytvářejícím bodový kontakt.Brattain nakonec umístil kontakty na dva proužky zlaté fólie uložené těsně vedle sebe a zalisované do povrchu germania. Při zapojení do elektrického obvodu zjistil přírůstek energie: „tranzistorový“ efekt byl objeven! To se stalo 16. prosince 1947, téměř po dvou a půl letech od založení týmu. Na štědrý den byl nový vynález předveden vrcholovému managementu Bellových laboratoří (zapojení tvořilo oscilátor). Zveřejnění vynálezu však bylo odloženo o 6 měsíců, až do června 1948: jednak kvůli porozumění vynálezu a zejména k přípravě patentové „pozice“. Fyzikální základy vynálezu však stále ještě nebyly jasné. . . Ale transistoruž byl na světě!
První tranzistor (germanium je na spodním hrotu trojúhelníka)
První krok k objasnění fyzikálních základů tranzistoru učinil Shockley svou formulací teorie pozitivně-negativních (p-n) přechodů.
Stručná podstata Shockleyovy přechodové teorie spočívá ve vhodném uspořádání oblastí typu p a n. Co jsou tyto oblasti? Zcela čistý polovodičový materiál (tj. materiál, kde na zhruba 100 miliónů atomů čistého polovodiče připadá 1 atom nečistot) má elektrický odpor niminálně třicetpětmiliónkrát vět±í (germanium, křemík je±tě asi čtyřtisíckrát větší) než je odpor mědi.Přidá-li se však nepatrné množství příměsí (řádově 10 000 000:1), vzroste vodivost o několik řádů a zejména se objeví kvalitativně nové vlastnosti. Např. přidají-li se k chemicky čtyřmocnému germaniu stopy pětimocného arsenu, vznikne tzv. polovodič (oblast) typu n, jehož vodivost je způsobena přebytkem elektronů (tzv. elektronová vodivost). Naopak, přidá-li se pouze trojmocné indium, vznikne polovodič (oblast) typu p, jehož vodivost je způsobena nedostatkem elektronů (tzv. děrová vodivost). Spojí-li se tyto oblasti např. v pořadí n-p-n, a přiložíme vhodně (-,+,+) póly zdrojů napětí, budou elektrony volně přecházet z levé oblasti n (emitor) do střední oblasti p (báze) a odtud do pravé oblasti n kolektor), přičemž proud procházející kolektorem bude mnohonásobně větší než proud emitoru. Takto zapojený tranzistor tedy funguje jako zesilovač.
Teorie byla tedy jasná, nicméně existovaly tu dva druhy konstrukčního provedení tranzistorů, žádné však ještě nebylo zralé pro průmyslovou výrobu. V prvém případě se jednalo o tzv. hrotový tranzistor (tj. typ vytvořený jako první), v druhém o plošný (přechodový) tranzistor vytvořený Shockleyem. Hrotový byl za stávajícího stavu vývoje dříve vyrobitelný, měl však mnoho nedostatků. zejména to byl velký rozptyl elektrických vlastností, s trochou nadsázky by se dalo říci, co kus to originál. Přesto se později vyráběly více než 10 let, např. jako telefonní oscilátory. V druhém případě se jednalo o plošné tranzistory, jejichž vlastnosti byly v předpokládaných mezích, byly však složitější na výrobu a náročnější na jakost materiálu.
Pro výrobu tranzistorů se používá většinou germanium a křemík. Pro speciální vysokofrekvenční obvody pak galiumarzenid. Už od začátku se vědělo, že křemík má vhodnější vlastnosti. Je např. energeticky výhodnější, je méně závislý na změně teploty a proud v závěrném směru je menší. Zpočátku však výrobu křemíku požadované kvality ztěžoval náročný chemický a metalurgický proces. Např. tavicí teplota křemíku je 1415 °C ve srovnání s 937 °C germania. Teprve v roce 1953 se našel způsob výroby křemíku zaručující čistotu porovnatelnou s čistotou germania.
Mezitím (v roce 1952) Bellovy laboratoře prodaly patentní práva na tranzistor každé společnosti, která byla ochotna za ně zaplatit 25 000 $. První komerčně vyráběné křemíkové tranzistory (1954) Hromadné výrobě tranzistorů už nic nestálo v cestě. V roce 1952 se tloušku destičky báze podařilo snížit na 10 mikromilimetrů a tím se podařilo zvýšit mezní kmitočet tranzistoru na 10 MHz, v roce 1954 byl vyroben první difusní germaniový mesa tranzistor s mezním kmitočtem 500 MHz a o rok později i křemíkový. V roce 1956 dostává původní tým Nobelovu cenu . . .
Snahou o další miniaturizaci vznikl integrovaný obvod. První úspěch zaznamenal Jack Kilby koncem srpna 1958. Jeho integrovaný obvod byl tvořen miniaturními rezistory, kondenzátory, diodami a tranzistory na jediné křemíkové destičce.
Jack Kilby demonstruje svůj první integrovaný obvod (1958)
Shrnutí
Tranzistor je polovodičová zesilovací součástka, která je často zhotovena z germania nebo křemíku a jejíž charakteristiky jsou podobné vakuové pentodě. Můžeme jej řídit nízkým signálovým výkonem a na výstupu dostaneme větší signálový výkon, řízený vstupním signálem. K tomuto účelu musí být k dispozici (podobně jako u vakuové elektronky) zdroj stejnosměrného napětí. Tranzistor se od elektronky liší tím, že nemá žhavení, vyznačuje se velkou strmostí charakteristik při malých zbytkových napětích, předností je i malý, kompaktní tvar a odolnost proti mechanickým otřesům. V zásadě lze tranzistory dělit na unipolární a bipolární. U unipolárních tranzistorů existuje pouze jeden druh proudu – buď elektronový, nebo děrový, zatímco u bipolárních tranzistorů existují současně oba druhy proudu.
Rozlišujeme tranzistory PNP a NPN. Činnost bipolárního typu tranzistoru bude ukázána na modelu sledu oblastí NPN, který je typický pro křemík jako výchozí materiál. Také zde představuje kružnice v schematické značce tranzistoru jeho pouzdro. Bipolární tranzistor má rovněž tři elektrody, které jsou označovány emitor E, báze B a kolektor C. Podle toho, která z elektrod bude společně použita pro vstup a výstup, mluvíme o zapojení se společným emitorem, kolektorem nebo bází.
Bipolární tranzistor NPN v zapojení se společným emitorem včetně rozdělení hustot náboje a se schematickou značkou:
Jako příklad bylo zvoleno zapojení se společným emitorem, které je v principu analogii k zapojení vakuové triody se společnou katodou a je nejpoužívanější.
Přiložená napětí způsobí, že tranzistor ve vstupním obvodu BE od E k B je pólován v přímém směru, ve výstupním obvodu CBE od E k B také v přímém směru, ale od C k B ve zpětném směru. Vytvoří se tedy tok elektronů z oblasti emitoru do oblasti báze (přes závěrnou vrstvu emitoru Ezv) a obráceně vznikne tok děr.
Z poznatků o poruchách v polovodiči je známo, že hustota majoritních nosičů se nemění, protože je tak velká, že doba zotavení je velmi malá – dosahuje asi 10-12 s. Pro minoritní nosiče však dosahuje řádu 10-3 s. Je tedy poměrně velká a nestačí neutralizovat poruchy vzniklé jednostranným přítokem nebo odtokem nosičů náboje.
Pro rozdělení hustoty nosičů tím dostáváme:
Hustota minoritních nosičů v bázi na přechodu EB vzroste o několik řádů proti normální hustotě, protože minoritní nosiče vlivem většího přítoku elektronů z emitoru nejsou časově schopny rekombinací dosáhnout rovnováhy.
Na přechodu BC je situace opačná: Protože k C odtéká ve formě saturačního proudu více minoritních nosičů, než kolik dorazí elektronů ve formě toku majoritních nosičů od C k B, klesne tam hustota o několik řádů. Tak vznikne na šířce báze dB spád hustoty minoritních nosičů, což má za následek difúzi elektronů od emitorové závěrné vrstvy EZV ke kolektorové závěrné vrstvě CZV. Je-li vrstva báze tenká (při současné technologii asi 0,5 µm až 10 µm), dostane, se difúzí většina elektronů, dříve než může v bázi zrekombinovat nebo odtéci přívodem báze, do kolektorové vrstvy CZV. Přiloženým kolektorovým napětím pak budou elektrony „odsáty“ k C. Tento proud elektronů iFN lze vyjádřit (stejně jako u diody) takto:
Protože bázi můžeme v důsledku krátkých dob zotavení považovat za oblast bez elektrického pole, může iF0N být čistým difúzním proudem, který lze vyjádřit:
kde
e0 je elementární náboj,
DN difúzní konstanta elektronů,
dnP spád hustoty minoritních nosičů (elektronů) na šířce báze dB (vlivem UCE pro UBE = 0).
Difúzní proud iF0N je tedy v první řadě závislý na spádu hustoty elektronů v bázi od EZV k CZV, tj. na chování minoritních nosičů.
Dále nelze zamezit odtoku elektronů do báze a vytvoření toku majoritních děr od B k E. Tok elektronů udržíme v malých mezích nepatrnou šířkou báze, tok děr malým dotováním P báze proti vysokému dotování N emitoru (nepatrný saturační proud, a tím i nepatrný tok majoritních nosičů).
Protože závěrná vrstva emitoru je pólována napětím báze v přímém směru, je závěrná vrstva největší, jestliže je napětí báze nejmenší. Při velké závěrné vrstvě prochází jen málo elektronů do báze, takže kolektorový proud
je nepatrný. Při větších napětích báze se bude emitorová závěrná vrstva zmenšovat. Do oblasti báze přichází více elektronů a roste kolektorový proud. Kolísá-li nyní napětí báze, mění se ve stejném rytmu i kolektorový proud.
Napětím báze je tedy řízen proud kolektoru. Proud báze iBF, který přitom vzniká, je z hlediska řízení ztrátový proud.
Poměr
nazýváme proudový zesilovací činitel tranzistoru v zapojení se společným emitorem. Označujeme jej h21E při statické hodnotě a h21e při dynamické. Pro statický případ při zkratovaném výstupu tranzistoru je h21E běžných tranzistorů v rozsahu od 10 do 1000. Protože při řízení tranzistoru v zapojení se společným emitorem je závěrná vrstva emitoru EZV pólována v přímém směru, je napětí báze malé; dále je poměrně malý proud báze a kolektorový proud naproti tomu velký. Protože kolektorové napětí jako závěrné napětí může být poměrně velké, znamená to při malém vstupním výkonu velký výstupní výkon. Tím se vysvětlují proudové, napěťové a výkonové zesilovací vlastnosti tranzistoru v tomto zapojení.
Charakteristiky tranzistoru můžeme nyní popsat takto: Vstupní charakteristika představuje proud báze jako funkci vstupního napětí, tedy diodovou charakteristiku, avšak posunutou o -IB, což je způsobeno kolektorovým saturačním proudem iCsat, procházejícím v protisměru.
Vstupní charakteristika tranzistoru NPN:
Můžeme z ní určit vstupní odpory, a to statický odpor RBE (odpor stejnosměrnému proudu) a rovněž dynamický odpor rBE (odpor střídavému proudu), které jsou vlivem proudu báze mnohem menší než u tranzistoru typu FET. Podle typu tranzistoru jsou řádu (0,1 až 10) kohmů, přičemž vždy platí rBE < RBE. Napěťová převodní charakteristika (obr. níže) udává kolektorový proud jako funkci vstupního napětí. Součet iFN a saturačního proudu kolektoru stejného směru iCsat udává posunutí exponenciální funkce ve směru +IC.
Napěťová a proudová převodní charakteristika tranzistoru NPN:
Z charakteristiky lze určit strmost S tranzistoru, která teoreticky odpovídá značné strmosti polovodičové diody podle rovnice:
protože iFN se přibližně rovná toku majoritních nosičů proudu diody B-E. Dosahuje se zde strmosti řádu jedna desetina až několik ampérů na volt. Tento typ tranzistoru obdobně jako výkonový FET je tedy schopen zpracovat vysoké výkony při vysokých napěťových a proudových zesíleních.
Proud iF0N je silně ovlivněn minoritními nosiči a tím je závislý na teplotě. To znamená, že musí být, teplotně závislý i kolektorový proud. A to je také velkým nedostatkem bipolárního tranzistoru proti unipolárnímu tranzistoru FET.
Přibližně můžeme u bipolárního tranzistoru počítat s dvojnásobným zvýšením proudu při změně teploty o 7°C u germaniového tranzistoru a o 5°C u křemíkového tranzistoru. Kolektorové proudy charakterizující v této souvislosti tranzistor jsou rovněž zobrazeny na obrázku výše, kde: IC = IC0 pro IE = 0, IC = ICK pro UBE = 0 a IC = I’C0 pro IB = 0. Důležitou roli mají především při výběru typu tranzistoru, při kontrole kvality a funkce.
Proudová převodní charakteristika na obrázku výše vychází z rovnice:
přibližně jako přímka. Při IB = 0 již IC dosahuje hodnoty IC0, h21E je statický proudový zesilovací činitel. Dynamický proudový zesilovací činitel h21e lze vyjádřit jako sklon dIC/dIB v určitém bodě, např. v pracovním bodě A. Vidíme, že h21e se obecně nebude příliš lišit od h21E, tj. h21e ? h21E.
Výstupní charakteristiky tranzistoru NPN (nahoře s parametrem UBE, dole s parametrem IB):
Výstupní charakteristiky ukazují závislost mezi kolektorovým proudem a kolektorovým napětím pro vstupní napětí nebo pro vstupní proud jako parametr. Kolektorové napětí má vliv na kolektorový proud, takže vznikne spád hustoty minoritních nosičů v báj. v blízkostí kolektorové závěrné vrstvy Czv. Již při velmi malých hodnotách napětí kolektor-emitor, jako je UCE = 0,1 až 1 V, stačí spád k tomu, aby se téměř všechny elektrony difúzí dostaly ke kolektoru. Přitom silně stoupne kolektorový proud při UCE = 0 až 0,1, popř. 1 V a je pak již velmi málo závislý na UCE, tj. IC již téměř neroste, takže se charakteristiky ohýbají a probíhají dále téměř rovnoběžně s osou UCE. To, že charakteristiky se nemění ve vodorovné přímky, je způsobeno především vlivem UCE na závěrnou vrstvu kolektoru Czv a tím i nepřímým působením přes šířku báze dB na iF0N. S rostoucím UCE se bude zvětšovat Czv, tj. šířka báze dB se bude odpovídajícím způsobem zmenšovat, takže
kolektorový proud nepatrně s UCE stoupá. Průběh charakteristik s parametrem UBE je možné vyjádřit pomocí rovnice:
a průběh charakteristik s parametrem IB lze vyjádřit pomocí rovnice:
Průběhy lze objasnit takto: V prvním případě jsou „zahnuté“ charakteristiky navzájem rovnoběžně posunuty podle exponenciální funkce, zatímco v druhém případě probíhají ekvidistantně, tj. pro určitou hodnotu UCE je vzdálenost mezi charakteristikami při stejném přírůstku parametru IB konstantní. Z výstupních charakteristik s parametrem UBE je vidět, že charakteristiky pro IC při konstantním UBE s rostoucím UCE v podstatě nerostou. To znamená, že pro tyto rozsahy UCE – podobně jako u tranzistoru typu FET – existuje jen jedna napěťová převodní charakteristika, nikoliv soustava charakteristik. Protože výstupní charakteristika s parametrem IB stoupá strměji, můžeme v tomto případě uvádět celou soustavu proudových převodních charakteristik s parametrem UCE. Protože u bipolárního tranzistoru proti většině tranzistorů typu FET výstupní charakteristiky od nuly prudce stoupají, má bipolární tranzistor nepatrná zbytková napětí, a tím i malé odpory v přímém směru. Tím je předurčen pro funkci spínače. Protože proti tranzistoru typu FET a vakuové triodě má bipolární tranzistor o jeden „parametr“ více – a to o vstupní proud – potřebujeme k popsání bipolárního tranzistoru minimálně dvě soustavy charakteristik. Protože u bipolárního tranzistoru probíhá řízení podle exponenciální funkce, existuje zde vždy nebezpečí křížové modulace. Tento případ u FET téměř nemůže nastat vzhledem ke kvadratické závislosti mezi ID a UDS. Tranzistory jsou dnes základními součástkami zesilovačů, modulačních zařízení atd. Mohou zpracovávat pomalé, ale i rychlé průběhy. Při nízkých frekvencích je zesílení bez problémů (neuvažujeme teplotní závislosti), protože tranzistor pracuje i se stejnosměrným proudem. U vysokých frekvencí existují omezení zesílení vyvolané hromaděním minoritních nosičů kapacitami přechodů, difúzními jevy a dobou přechodu nosičů náboje bází nebo kanálem. Abychom mohli popsat tyto jevy, definujeme mezní frekvence. Frekvenci, při které poklesne proudový zesilovací činitel odpovídající frekvenci 1 kHz na hodnotu menší o 3 dB, nazveme podle zapojení tranzistoru:
mezní frekvence fh21b v zapojení se společnou bází
mezní frekvence fh21e v zapojení se společným emitorem
mezní frekvence fh21c v zapojení se společným kolektorem
Jako mezní frekvenci, při které klesne napěťové zesílení v zapojení se společným emitorem o 3 dB, můžeme udat:
Při přechodové frekvenci fT poklesne h21e na hodnotu 1 a bude platit vztah:
Až dosud uváděná schematická značka platí pro tranzistor NPN. Jde-li o tranzistor PNP, je šipka obráceně. Platí stejné charakteristiky, pouze všechny polarity se musí zaměnit, tj. proudy a napětí budou záporné.
Tři nejdůležitější technologická řešení bipolárního tranzistoru přibližuje obrázek:
Důležitá technologická provedení bipolárního tranzistoru:
a) slitinový tranzistor
b) difúzní tranzistor
c) planárně difúzní tranzistor
Vidíme, že u všech systémů zaujímá kolektorový přechod PN největší plochu. Protože se na kolektoru objevuje nejvyšší výkon, tj. velký kolektorový proud při velkém kolektorovém napětí, dosáhne se uvedeným uspořádáním příznivého odvodu tepla a vysokého proudového zesilovacího činitele. V závislosti na geometrickém a technologickém uspořádání (v současnosti nejčastěji struktura na obrázku níže b) se bipolární tranzistory na bázi Ge, Si nebo GaAs vyskytují v nejrůznějším provedení od malovýkonových (s výkonem 0,1 až 1 W, zesílením h21E = 30 až 1000 a mezní frekvencí v oblasti gigahertzů), až po výkonové (s proudy 200 až 500 A/1000 W, zesílením h21E = 3 až 30 a spínacími dobami v oblasti nanosekund).
Vysokonapěťovými tranzistory mesa lze zpracovávat napětí větší než 1000 V.
Planární technika je základem pro integrované obvody, kde je na základní polovodičové destičce (čipu) umístěno mnoho součástek – tranzistorů, diod spod. Kružnice, která ve schematické značce tranzistoru znamenala pouzdro, se v tomto případě nekreslí. Dokonce se neznázorňuje ani pouzdro obvodu. Jako výchozí materiál se i zde používá křemík. Více se lze o technologických detailech dočíst ve firemní literatuře, katalogových listech, speciální literatuře apod.
Zvláštní formy bipolárního tranzistoru :
Fototranzistor: Jestliže tranzistor vyřešíme konstrukčně tak, že přechod báze-emitor bude možné využít jako fotodiodu, vznikne kromě vnitřního fotoelektrického jevu také zesilovací jev. Mluvíme pak o fototranzistoru.
Trigistor: Je to tranzistor bez vyvedené báze, který bývá používán jako spouštěcí dioda. Má obdobnou charakteristiku jako varistor, pouze přechody ze závěrného do propustného stavu (které jsou zde však způsobeny Zenerovým jevem) se vyznačují krátkodobě oblastí záporného odporu (záporný sklon charakteristiky). Je to způsobeno tím, že po vzniku Zenerova průrazu dojde k značné injekci nosičů náboje od emitoru do oblasti báze, takže kolektorový proud může značně a rychle narůstat při zmenšujícím se napětí kolektor-emitor. Často je tato součástka nazývána diak, avšak nejčastěji pod označením diak rozumíme obousměrný diodový tyristor.
Magnetotranzistor (magnistor) je tranzistor závislý na magnetickém poli, který má dva kolektory. Pokud neexistuje magnetické pole, jsou oba kolektorové proudy stejné. Nachází-li se tranzistor v magnetickém poli, v důsledku Hallova jevu, způsobujícího odchýlení nosičů nábojů v závislosti na směru magnetického pole, bude jeden proud větší a druhý menší. Necháme-li oba proudy procházet přes rezistory se stejným odporem – na nichž se vytvoří úměrně velký úbytek napětí -, vznikne mezi oběma kolektory rozdílové napětí, které je úměrné velikostí magnetické indukce a směru magnetického pole. Hlavni předností tohoto tranzistoru je, že v důsledku zesílení může snímat extrémně malé magnetické indukce (< 10-6 T) a kompenzuje teplotní drift, protože zvýšená teplota ovlivní oba kolektorové proudy, a tedy i oba úbytky napětí, takže rozdíl napětí zůstane stejný.
Bipolární výkonové tranzistory v audiotechnice
Bipolárních tranzistory (BJT) jsou v NF technice stále nezastupitelné. Jsou totiž velmi snadno použitelné, v současné době mají vysoká průrazná napětí při značných kolektorových proudech, tedy jsou ideálními součástkami pro koncové stupně o výkonu do 1kW. Zkušenosti výrobců profesionální audiotechniky však ukazují, že pro vyšší výkony je použití v klasickém koncovém stupni sporné, pomineme -li speciální sérioparalelní zapojení z důvodu co nejnižší ceny, nebo elegantní řešení problému pomocí třídy AB+C. Důvodem jsou příliš vysoké ztráty a nízká rychlost, kde se tyto parametry značně zhoršují s velikostí závěrného napětí. Ve výstupních AV charakteristikách je definována tzv. bezpečná pracovní oblast (SOA, Safe Operating Area), kterou nesmí pracovní bod opustit. Pro rozpínací děj se pouµívá tzv. RB SOA (Reverse Biased SOA), přechod BE je přitom z důvodu rychlosti velmi vhodné, ba přímo nezbytné v průběhu vypínání polarizovat v závěrném směru. Pro zesilovací aplikace se platí křivka FB SOA (Forward Biased SOA).
Vysokonapěťové BJT navíc pouze v provedení NPN, PNP se nevyrábí. Pro vyšší výstupní napětí tedy nemáme jinou možnost než použít kvazikomplementární zapojení koncového stupně.
Příklad: bipolární transistor ve spínacím režimu
Použijeme -li bipolární tranzistor ve spínacím režimu, budeme se pohybovat pouze mezi dvěma stavy, a to je rozdíl oproti lineárním aplikacím, jako jsou zesilovací aplikace, kde si přejeme, aby se pracovní bod pohyboval mezi body A a B
Spínací režim
Představte si, že chcete navrhnout tranzistorový spínač pro 20mA zátěž, napájecí napětí bude stejnosměrné o velikosti 5 voltů. Když bude tranzistor vypnutý, kolektorový proud bude nulový a na kolektoru naměříme napájecí napětí 5V. Jestliže zanedbáme zbytkový proud, který je u moderních tranzistorů opravdu zanedbatelný, dostáváme se do bodu A na černé přímce. Jestliže tranzistor sepneme, kolektorový proud Ic bude 20mA a kolektorové napětí Vce naměříme velmi malé, téměř nulové. Tento režim odpovídá bodu B na černé přímce. To je rozdíl od lineárního režimu, kde jsme se mohli pohybovat po celé přímce.