Ett gammalt radioamatörordspråk säger att den bästa högfrekvensförstärkaren är antennen. Under radiotekniks första år var den den enda ”förstärkaren”, förstärkande elektronik fanns inte. 1907 kom elektronröret – en mycket framgångsrik komponent, men ganska stor och föga effektiv. Redan sedan tjugotalet drömde vetenskapen om komponenter med liknande funktion, där allt sker inuti en fast kropp (halvledare), inte i vakuum. Den första komponent där detta även lyckades i praktiken var 1947/1948 bipolärtransistorn.
Bipolärtransistorn kallas på engelska också BJT: Bipolar Junction Transistor.
Den ideala funktionen hos alla transistortyper, och även elektronröret, är en spänningsstyrd strömkälla: med en så liten spänningsändring som möjligt på ingången ska en så stor strömändring som möjligt åstadkommas på utgången.
Bipolärtransistorn har tre anslutningar, som kallas emitter, bas och kollektor. Emittern sänder laddningsbärare in i basen – hos NPN-bipolärtransistorn är det elektroner, hos PNP-bipolärtransistorn elektronbrister, även kallade hål. Fysiken bakom dessa begrepp går vi igenom längre fram. Dessa laddningsbärare passerar basen och samlas upp av kollektorn.
Figur UPPGRADERING-5.11.1 visar kretssymbolerna för NPN- och PNP-transistorer. Emitterelektroden känner vi igen på en pil som hos PNP-transistorn pekar mot basen och hos NPN-transistorn bort från basen.
Bipolärtransistorer är sammansatta av två dioder – emitter-bas-dioden och bas-kollektor-dioden. Vid aktiv drift är emitter-bas-dioden alltid kopplad i framriktningen. Hos NPN-transistorn måste potentialen på basen då vara mer positiv än på emittern, hos PNP-transistorn mer negativ. Bas-kollektor-dioden är polad i backriktningen. För det ska kollektorpotentialen hos NPN-transistorn väljas mer positiv än basen, hos PNP-transistorn mer negativ.
Transistorfunktionen uppstår dock bara om baszonen mellan emitter och kollektor är högst några mikrometer bred. Vi kan alltså inte tillverka en transistor genom att löda ihop två separata dioder.
Den minsta spänningen över emitter-bas-övergången beror på den använda halvledaren. Hos en kisel-NPN-transistor måste basen vara cirka $\qty{0,6}{\volt}$ mer positiv än emittern, hos kisel-PNP-transistorn cirka $\qty{0,6}{\volt}$ mer negativ. Denna spänning kallas bas-emitter-spänning $U_\mathrm{BE}$.
Strömmarna och spänningarna hos en NPN-transistor visas i figur UPPGRADERING-5.11.2. Bas-emitter-spänningen $U_\mathrm{BE}$ känner vi redan. Dessutom finns kollektor-bas-spänningen $U_\mathrm{CB}$ och kollektor-emitter-spänningen $U_\mathrm{CE}$. Kollektorströmmen $I_\mathrm{C}$ beror exponentiellt på bas-emitter-spänningen:
$$I_\mathrm{C} = I_\mathrm{S}\ e^{\frac{U_\mathrm{BE}}{U_\mathrm{T}}}$$$U_\mathrm{T}$ är vid rumstemperatur cirka $\qty{26}{\milli\volt}$.
$I_\mathrm{S}$ betecknar den så kallade mättnadsbackströmmen hos en bipolärtransistor. Den är en karakteristisk komponentparameter och hänger nära samman med emitter-bas-dioden. Det är en mycket liten läckström som flyter genom transistorn även när bas-emitter-sträckan inte leder.
Basströmmen $I_\mathrm{B}$ har inom stora driftområden samma spänningsberoende som kollektorströmmen, så att förhållandet mellan kollektorström och basström är konstant:
$$\frac{I_\mathrm{C}}{I_\mathrm{B}} = B$$$B$ är strömförstärkningen (närmare bestämt strömförstärkningen i emitterkoppling). Det är ofta praktiskare att tänka sig transistorn som en strömstyrd komponent, även om det fysikaliskt inte är så. Strömförstärkningen är hos praktiska transistorer $50 \dots 350$.
För bipolärtransistorns strömstyrning finns en urgammal analogi med en stor och en liten vattenkanal, en damm i den stora kanalen och en styrlucka.
Till en början flyter inget vatten i den lilla kanalen. Dammen i den stora kanalen är stängd, därför flyter inget vatten där heller.
Sedan börjar vatten flyta i den lilla kanalen, styrkanalen. Vattnet lyfter luckan, som i sin tur manövrerar dammen – också i huvudkanalen börjar vatten flyta.
Nu flyter mer vatten i styrkanalen, luckan lyfts ytterligare och dammen i huvudkanalen öppnas helt.
Emitterströmmen $I_E$ är summan av kollektorström och basström:
$$I_\mathrm{E} = I_\mathrm{C} + I_\mathrm{B}$$Transistorers spänningsarbetspunkt anges oftast via kollektor-emitter-spänningen:
$$U_\mathrm{CE} = U_\mathrm{CB} + U_\mathrm{BE}$$Vid sidan av de här huvudsakligen behandlade bipolärtransistorerna finns framför allt också fälteffekttransistorer, som fysikaliskt fungerar annorlunda men utåt har samma grundfunktion (spänningsstyrd strömkälla). I form av MOSFET:ar dominerar de vår elektronik, eftersom de finns i miljoner till miljarder i de integrerade kretsarna inom digitalelektroniken.
MOSFET står för metal-oxide-semiconductor field effect transistor, på svenska metall-oxid-halvledar-fälteffekttransistor
Transistorer kan inte bara användas som förstärkare utan också som (ström)brytare (ström på/av) eller, vid små spänningar på utgången, som styrbart motstånd. Den sista funktionen genomförs framför allt med fälteffekttransistorer.
