npn-Transistör
Doğru yönde öngerilim uygulanmış pn-birleşimde düşük dirençli bir devre meydana gelir: Yani, çok küçük gerilimle bile oldukça büyük bir akım oluşur. Buna karşılık ters öngerilim uygulanmış bir pn-birleşim bölümü bir yüksek dirençli devre oluşturur. P = I2·R formülüne göre sabit bir akımla daha büyük bir güç elde edilebileceği açıktır. Eğer bir doğru yönde öngerilim uygulanmış pn-birleşiminde bir akım uygulandığında, bu akım ters yönde öngerilim uygulanmış pn-birleşiminde aynı büyüklükte bir akım oluşturuyorsa, o zaman bu kristalin giriş işaretinin gücünü yükselttiği söylenebilir. Bunlar, transistörü 1948 yılında keşfedenlerin hayalleri idi ve ardından npn-transistörler geliştirildi. Şimdi bu gelişmeyi burada kapsamlı bir şekilde anlatalım.
(collector)
(base)
(emitter)
kutuplama
Resim 1: Bir npn-transistorün doğru öngerilimlenmiş pn-birleşimi
(collector)
(base)
(emitter)
kutuplama
Resim 1: Bir npn-transistorün doğru öngerilimlenmiş pn-birleşimi
Bir diyotun pn-birleşiminde olduğu gibi, npn-transistörün n-katkılı her iki yarıiletken katmanında yük taşıyıcı olarak bir dizi serbest elektronu vardır. p-katkılı ince yarıiletken katmanındaki yük taşıyıcıları deliklerdir. Aksine, transistörün ince p-katkılı yarıiletken katmanı, yük taşıyıcılar olarak elektron deliklerine sahiptir. Fiziksel olarak yarıiletken diyotlarda anlatılan işlemlerin aynısı transistörün her bir pn-birleşiminde aynen tekrarlanır. Böylece, sınır bölgesindeki yük taşıyıcıların yayınımı (diffusion) ve eşzamanlı yeniden birleşmeleri (recombination) sonucunda burada bir tükenim bölgesi (depletion region), yani direnci dışardan uygulanan öngerilimin kutbu ile değiştirilebilen yüksek dirence sahip engel bölgesi meydana gelir. Transistörün bir yükselteç olarak kullanılabilmesi için tükenim bölgelerine, büyüklükleri dışardan belirlenen, değişik öngerilimler uygulanmalıdır. İlk pn-birleşimi (taban-yayıcı) doğru öngerilimle (yani, düşük dirençli olan), ikinci pn-birleşimi (taban-toplayıcı) ise (yani, yüksek dirençli olanı) ters yönde öngerilimle çalıştırır. Hatalı kutuplama geriliminin uygulanmasını önlemek için katkılama harflerine dikkat edilmelidir:
Transistör terminal sıralaması daima şöyledir: „Yayıcı-Taban-Toplayıcı”. Resim.2 görüldüğü gibi, npn nin ilk harfi n dir, yani yayıcı, tabana göre daha negatif bir öngerilimdedir; ikinci harf p taban içindir, yani daha pozitiftir; üçüncü harf n dir, toplayıcı içindir ve yine daha negatif öngerilimdedir. (Ancak, toplayıcı gerilimi taban gerilimiyle örtüştüğünden, toplayıcının gerekli ters öngeriliminin, yayıcının gerilimine göre çok daha yüksek bir pozitif gerilim olması gerekir.)
kutuplama
kutuplama
Resim 2: npn-transistördeki gerilimler
kutuplama
kutuplama
Resim 2: npn-transistördeki gerilimler
Doğru kutuplanmış pn-birleşimi
Diyotun incelenmesi sırasında üzerinde durmadığımız, fakat işlevin kavranabilmesi için halâ önemsiz olan bir nokta var: n-katkılı yarıiletken malzemelerde bulunan katışkıların (yani, yabancı atomların) sayısı, p-katkılı yarıiletkendekilere göre çok daha fazla olmalıdır. Böylece, n- katkılanmış yarıiletkendeki çoğunluk taşıyıcılar (burada serbest elektronlar) tarafından oluşan akım, p-yarıiletkendeki çoğunluk taşıyıcıları (yani, elektron deliklerini) emebileceğinden dolayı çok daha büyük bir akım sağlar. Taban, bu arada n-katkılı yarıiletken yayıcıdan gelen ek elektronlarla „istila“ edilir.
hareketi
bewegung
Resim 3: Doğru yönde çalıştırılan pn-birleşimindeki akımlar
hareketi
hareketi
Resim 3: Doğru yönde çalıştırılan pn-birleşimindeki akımlar
Akım, bataryanın eksi kutbundan n-katkılı yarıiletkene giden serbest elektronlarca gerçekleşir. Keza, yayıcının n-katkılı yarıiletken malzemesinde serbest elektronlarca bir akım meydana gelir. Tabanın p-katkılı yarıiletken bölgesine giren her elektron orada bir deliği doldurur. Aynı zamanda, bir elektron, yarıiletkeni taban terminalinde terk eder ve geride bir elektron deliği bırakır. Bu delik bir pozitif yük taşıyıcıdır ve (modelde belirtildiği gibi) elektron akışına zıt yönde hareket eder. Elektron akımı tabanı, transistörü taban-terminalinde terk eder ve yeniden bataryanın artı ucuna döner.
Ters kutuplanmış pn-birleşimi
kutuplama
hareketi
hareketi
Resim 4: Ters yönde öngerilimlenmiş bir npn-transistörün pn-birleşimi
kutuplama
hareketi
hareketi
Resim 4: Ters yönde öngerilimlenmiş bir npn-transistörün pn-birleşimi
Taban ve toplayıcı arasında ikinci pn-birleşimi (Resim.4) yer alır ve ters öngerilim altında bulunur. Çok küçük bir ters akım dışında, pn-birleşiminden hiçbir elektron akışı olmaz. Ancak, bu ters akıma azınlık taşıyıcıları sebep olur. (Hatırlatma: Azınlık taşıyıcıları, n-katkılı yarıiletken malzemede delikler ve p-katkılı yarıiletken malzemede elektronlardır.) Ve bu ters akım transistörün çalışmasında burada çok belirleyici bir önemle sahiptir.
pn-birleşimler arasındaki karşılıklı ilişki
Resim. 5 de özellikle veri sayfalarında, öngerilim için bataryalar için simgesel değer taşıyan özel isimler verilir. Bunlardan VCC toplayıcı gerilimini ve VBB taban öngerilimini belirtir. Bu arada VBB geriliminin VCC den daima çok daha küçük olduğunu belirtelim. Toplayıcı gerilimi genellikle 6 Volt civarındadır.
kutuplama
kutuplama
hareketi
hareketi
Resim 5: Tabandaki göreceli küçük bir akım, toplayıcıda nispeten bir büyük akıma sebep olur
kutuplama
kutuplama
hareketi
hareketi
Resim 5: Tabandaki göreceli küçük bir akım, toplayıcıda nispeten bir büyük akıma sebep olur
Dış devrelerdeki akım sadece serbest elektronlarca gerçekleşir. Her iki devrede, bataryalardan n-katkılı yarıiletken malzemeden yapılmış yayıcıya elektron akışı (IE) gerçekleşir. Yine çoğunluk taşıyıcıların elektronlar olması sebebiyle, iletkendeki akım akışı ile karşılaştırıldığında burada hiçbir şey değişmez. Akım yalnızca p-katkılı yarıiletkendeki pn-birleşiminden sonra çoğunluk taşıyıcıları (yani, elektron delikleri) tarafından alınır.
Bununla birlikte, şimdi yeniden birleşerek p-katkılı yarıiletken malzemedeki delikleri dolduran serbest elektronlar, bir toplayıcı akım içinde kaybolur. Tabanın n-katkılı yarıiletken yayıcıdan gelen ilave serbest elektronlarla „istila“ edildiğinden söz etmiştik. Fakat bu yarıiletken bölge son derece ince olduğundan ve en önemlisi zayıf katkılandığından, yeniden birleşebilme için n-katkılı yarıiletkenden malzemeden gelen yalnızca birkaç serbest elektron yeterlidir. Elektronların çoğu toplayıcı geriliminin kuvvetli elektrik alanının etkisi altına girer, böylece engel bölgesini geçmeyi başarır ve böylece toplayıcı akımını üretir! Ve elektronlar toplayıcının n-katkılı yarıiletken malzemesine ulaştığında burada normal elektronlar gibi hareket ederler ve IC toplayıcı akımı ölçülebilir.
Toplayıcı bölge amaca uygun olarak taban bölgesine göre çok daha büyüktür. Birincisi çok daha fazla sayıda yük taşıyıcısını alma üstünlüğüne sahiptir ve ikincisi ise, toplayıcı artan ısıl iletkenliğini sayesinde hasarlanmadan büyük akımları taşıyabilir.
Resim 6: npn-transistördeki akımlar
Resim 6: npn-transistördeki akımlar
Özetle, tüm transistör akımları yayıcı bağlantısı üzerinden akar. Bunun yaklaşık %2 ila %5 i taban akımı IB ve kalanı toplayıcı akımı IC dir:
IE = IB + IC
Yayıcı akımı, taban akımı ve toplayıcı akımdan oluşur. Taban akım toplayıcı akımı yaratır. Taban akımındaki küçük değişiklikler, toplayıcı akımda büyük değişiklik meydana getirir.