Το διπολικό τρανζίστορ είναι ένα ημιαγωγικό στοιχείο που σχηματίζεται με την επιλεκτική νόθευση τριών διακριτών περιοχών κατά μήκος του σώματος του ημιαγωγού. Αποτελείται από τρείς περιοχές τύπων ημιαγωγού, από τους οποίους οι δύο είναι τύπου Ν ή τύπου Ρ και με αυτό τον τρόπο να σχηματίζονται δυο επαφές τύπου p-n. Έτσι σχηματίζονται τα τρανζίστορ τύπου ΝΡΝ και ΡΝΡ όπως φαίνονται στο ακόλουθο σχήμα.

Οι περιοχές του τρανζίστορ ονομάζονται εκπομπός Ε, βάση Β και συλλέκτης C. Στα τμήματα αυτά του ημιαγωγού εναποτίθενται ηλεκτρόδια για τη σύνδεση του τρανζίστορ με άλλα εξωτερικά εξαρτήματα.

Στο προηγούμενο σχήμα φαίνονται τα κυκλωματικά σύμβολα των τρανζίστορ ΝΡΝ και ΡΝΡ αντίστοιχα. Η δομή ΝΡΝ έχει βάση ημιαρωγό τύπου Ρ με εκπομπό και συλλέκτη ημιαγωγούς τύπου Ν. Αντίθετα, η δομή ΡΝΡ έχει βάση ημιαγωγό τύπου Ν με εκπομπό και συλέκτη ημιαγωγούς τύπου Ρ.

Ο εκπομπός έχει υψηλή νόθευση, η βάση χαμηλή και ο συλλέκτης ακόμη χαμηλότερη. Από πλευράς μεγέθους, η βάση είναι λεπτή σε σχέση με τις άλλες περιοχές, με λόγο πλάτους 1:150 ως προς το μέγεθος του τρανζίστορ, ενώ το μέγεθος του συλλέκτη είναι πολύ μεγαλύτερο από τις άλλες δυο περιοχές.

Η κάθε περιοχή του τρανζίστορ έχει ένα συγκεκριμένο ρόλο, ο εκπομπός παράγει τους φορείς ηλεκτρικού ρεύματος, ο συλλέκτης συλλέγει τα φορτία στην περιοχή του και η βάση ελέγχει το ρεύμα από τον εκπομπό προς το συλλέκτη. Το τρανζίστορ ονομάζεται διπολικό, επειδή στο ρεύμα συμμετέχουν τόσο θετικά όσο και αρνητικοί φορείς ηλεκτρισμού, δηλαδή οπές και ηλεκτρόνια.

Για την επεξήγηση της λειτουργίας του τρανζίστορ, αναφερόμαστε στο ακόλουθο σχήμα. Στο σχήμα, η ένωση εκπομπού – βάσης πολώνεται ορθά και η ένωση συλλέκτη – βάσης ανάστροφα.

Ο εκπομπός, λόγω της υψηλής νόθευσης, περιέχει μεγάλο αριθμό φορέων πλειοψηφίας (ηλεκτρόνια) τα οποία διαχέονται προς τη βάση. Επειδή η βάση έχει χαμηλό αριθμό φορέων πλειοψηφίας (οπές) και πολύ μικρές διαστάσεις σχεδόν όλα τα ηλεκτρόνια που εισέρχονται από τον εκπομπό στη βάση μεταβαίνουν στην περιοχή του συλλέκτη, σχηματίζοντας το ρεύμα συλλέκτη. Ένας μικρός αριθμός ηλεκτρονίων στη βάση ανασυνδέονται με οπές σχηματίζοντας ένα μικρό ρεύμα βάσης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μια μικρή μεταβολή του ρεύματος βάσης έχουμε μια σημαντική μεταβολή του ρεύματος συλλέκτη.

Θεωρώντας την συμβατική φορά των ρευμάτων, δηλαδή τη φορά κίνησης των θετικών φορτίων, η φορά των ρευμάτων για τη συνδεσμολογία του προηγούμενου σχήματος είναι αντίθετη εκείνης των ηλεκτρονίων. Αν θεωρήσουμε τη βάση ως κόμβο μπορούμε για τα ρεύματα να γράψουμε την εξίσωση:

Ι_Ε = Ι_Β + Ι_C (*)

Για ένα τρανζίστορ ΡΝΡ ισχύει κατ’ αναλογία η παραπάνω περιγραφή, με τη διαφορά ότι οι φορές των πηγών και των ρευμάτων αντιστρέφονται.

Χαρακτηριστικές εισόδου – εξόδου

Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε ένα τρανζίστορ ΝΡΝ, όπου η ένωση βάσης-εκπομπού είναι πολωμένη ορθά και η ένωση βάσης – συλλέκτη ανάστροφα. Η βάση είναι η είσοδος του κυκλώματος και ο συλλέκτης η έξοδος. Ο εκπομπός είναι ο κοινός ακροδέκτης μεταξύ της εισόδου και της εξόδου και για αυτό το λόγο αυτός ο τρόπος διασύνδεσης των δύο πηγών με το τρανζίστος ονομάζεται συνδεσμολογία κοινού εκπομπού. Ο εκπομπός του τρανζίστορ συνδέεται στη γη όπου το δυναμικό θεωρείται ίσο με 0V.

Στο κύκλωμα του σχήματος σχηματίζονται δυο βρόχοι: ο βρόχος εισόδου και ο βρόχος εξόδου. Στο βρόγχο εισόδου, η αύξηση της τάσης της πηγής V_BB πάνω από την τιμή των 0,7V έχει σαν αποτέλεσμα τη ροή ρεύματος Ι_Β στη βάση. Στο ακόλουθο σχήμα δίνεται η χαρακτηριστική εισόδου για το ΝΡΝ τρανζίστορ μικρής ισχύος 2Ν3904. Η χαρακτηριστική είναι όμοια σε γενική μορφή με αυτή μιας ορθά πολωμένης διόδου όπου το ρεύμα αυξάνει εκθετικά με την τάση. Από το σχήμα βλέπουμε πως το κατώφλι αγωγιμότητας βρίσκεται περίπου στα 0,65V. Το ρεύμα στη βάση είναι της τάξης των εκατοντάδων μΑ.

Οι χαρακτηριστικές που αφορούν στον βρόγχο εξόδου για την συνδεσμολογία κοινού εκπομπού φαίνονται στο ακόλουθο σχήμα. Ως ανεξάρτητη μεταβλητή λαμβάνεται η τάση V_CE , ενώ ως εξαρτημένη το ρεύμα συλλέκτη. Το ρεύμα βάσης αποτελεί παράμετρο.

Παρατηρούμε ότι για τάση V_CE μεγαλύτερη από 1 V περίπου το ρεύμα συλλέκτη είναι πρακτικά ανεξάρτητο της τάσης συλλέκτη – εκπομπού V_CE και εξαρτάται μόνο από την τιμή του ρεύματος βάσης. Η περιοχή λειτουργίας του τρανζίστορ όπου οι χαρακτηριστικές είναι οριζόντιες γραμμές ονομάζεται ενεργός περιοχή. Όπως θα δούμε σε άλλο άρθρο, στην ενεργό περιοχή λειτουργίας, το τρανζίστορ χρησιμοποιείται ως ενισχυτής. Στο αριστερό άκρο του σχήματος και για τάση V_CE μικρότερη του 0,3Vπερίπου, το ρεύμα συλλέκτη αυξάνει σχεδόν γραμμικά με την τάση V_CE. H περιοχή αυτή αυτή ονομάζεται περιοχή κόρου. Τέλος, για ρεύμα βάσης μηδέν το τρανζίστορ δεν άγει, ανεξάρτητα από την τιμή της τάσης V_CE. H περιοχή αυτή ονομάζεται περιοχή αποκοπής. Στις περιοχές κόρου και αποκοπής το τρανζίστορ λειτουργεί ως διακόπτης, όπου μπορεί να βρίσκεται σε δυο καταστάσεις: αγωγιμότητας (ΟΝ) και μη αγωγιμότητας (OFF) αντίστοιχα. Όπως ειπώθηκε παραπάνω, η περιοχή λειτουργίας του τρανζίστορ καθορίζεται από τις τιμές των εξωτερικών εξαρτημάτων με τα οποία συνδέεται το τρανζίστορ.

Κέρδος ρεύματος

Σε ένα τρανζίστορ, η τιμή του ρεύματος στη βάση καθορίζει το ρεύμα στο συλλέκτη. Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται η σχέση Ι_Β-Ι_C για ένα τρανζίστορ ΝΡΝ του εμπορίου. Παρατηρούμε ότι η σχέση είναι σχεδόν γραμμική.

Με βάση το σχήμα, ορίζουμε το κέρδος ρεύματος για ένα οποιοδήποτε τρανζίστορ ως το λόγο του ρεύματος συλλέκτη προς το αντίστοιχο ρεύμα βάσης:

Το κέρδος ρεύματος έχει για τα περισσότερα τρανζίστορ τιμή από 50 ως 500. Η τιμή αυτή εξαρτάται τόσο από την τιμή του ρεύματος συλλέκτη όσο και από τη θερμοκρασία, όπως στο ακόλουθο σχήμα:

Στα φυλλάδια των κατασκευαστών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων η παράμετρος β αναφέραιται ως h_FE και μετριέται υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Το κέρδος ρεύματος διαφέρει αρκετά ακόμη και μεταξύ τρανζίστορ του ίδιου τύπου και γενικά είναι μια παράμετρος στην οποία δεν πρέπει κανείς να βασίζει την σχεδίαση ενός κυκλώματος. Να σημειωθεί επίσης ότι παράλληλα με το κέρδος ρεύματος στο συνεχές ρεύμα μπορούμε να ορίσουμε το κέρδος ρεύματος μικρών μεταβολών ως β_ac=Δi_C/Δi_b. Σε αυτή τη σειρά άρθρων δεν κάνουμε διακριση μεταξύ του κέρδους ρεύματος στο dc και του κέρδους ρεύματος ac ή μικρών μεταβολών.

Από τη σχέση (*) είναι φανερό ότι το ρεύμα συλλέκτη είναι πάντα μικρότερο από το ρεύμα εκπομπού. Το πόσο μικρότερο περιγράφεται από την αδιάστατη παράμετρος α που ορίζεται ως:

Στα σύγχρονα τρανζίστορ είναι 0,97 < α <0,998. Με βάση τις προηγούμενες σχέσεις μπορούμε να γράψουμε:

Από την τελευταία των παραπάνω εξισώσεων προκύπτουν οι σχέσεις:

Για το ρεύμα εκπομπού, έχουμε: