5. Tranzystor bipolarny

Transkrypt

1 5. Tranzystor bipolarny Tranzystor jest to trójkońcówkowy element półprzewodnikowy zdolny do wzmacniania sygnałów prądu stałego i zmiennego. Każdy tranzystor jest zatem wzmacniaczem. Definicja wzmacniacza: Wzmacniacz jest przyrządem (urządzeniem) umożliwiającym sterowanie większej mocy mniejszą mocą. Nazwa tranzystor wywodzi się z języka angielskiego: TRANSfer resistor, co oznacza element transformujący rezystancję. Termin bipolarny oznacza, że istotną rolę w działaniu tego przyrządu odgrywają jednocześnie oba rodzaje nośników (dziury i elektrony) Odkrycia tranzystora dokonano w 948 roku Na zdjęciu: amerykańscy fizycy, którzy w 956 roku podzielili się Nagrodą Nobla za odkrycie tranzystora: siedzi William Shockley, stoją od lewej John ardeen i Walter rattain z ell Laboratories 3

2 !!!!!!!! Dwie struktury tranzystora bipolarnego i ich symbole elektryczne stosowane na schematach a) tranzystor n-p-n, b) tranzystor p-n-p. Uwaga: w symbolach kółko nie musi być rysowane! Końcówki tranzystora: E - emiter, - baza, C - kolektor. Tak samo nazwano obszary (warstwy) półprzewodnika sąsiadujące ze sobą w jego strukturze. Emiter jest pierwszym obszarem, który dostarcza nośników mniejszościowych (emituje) do drugiego obszaru tj. bazy. W bazie przebiegają podstawowe (bazowe) procesy transmisji. Trzeci obszar - kolektor - zbiera te nośniki, które zostały wstrzyknięte z emitera do bazy i zdołały dotrzeć do kolektora. Tranzystor posiada dwa złącza p-n. Są to złącza baza - emiter (złącze -E) i baza - kolektor (złącze -C). 4. Dwie struktury tranzystora bipolarnego i ich symbole elektryczne stosowane na schematach a) tranzystor n-p-n, b) tranzystor p-n-p. Uwaga: w symbolach kółko nie musi być rysowane! 5 Pierwsze tranzystory produkowane na masową skalę były stopowe (wtopienie z dwóch stron w kryształ półprzewodnika, o określonym typie przewodnictwa, materiału o przeciwnym typie przewodnictwa). Charakteryzowały się równomiernym rozkładem koncentracji domieszek w bazie. yły to tranzystory z jednorodną bazą. Rozkład koncentracji domieszek w tranzystorze stopowym N DA =N D -N A, gdzie: N D - koncentracja domieszek donorowych, N A - koncentracja domieszek akceptorowych 6

3 Współcześnie wytwarzane tranzystory wykonywane są technologią planarną. Technologia planarna (inaczej płaszczyznowa) obejmuje zespół procesów technologicznych, w których zawsze występują trzy podstawowe operacje: maskowanie podłoża krzemowego warstwą tlenku SiO, fotolitografia i domieszkowanie lokalne Rozkład koncentracji domieszek w tranzystorze planarnym N DA =N D -N A, gdzie: N D - koncentracja domieszek donorowych, N A - koncentracja domieszek akceptorowych Tranzystory mają nierównomierny rozkład koncentracji domieszek w bazie, co istotnie wpływa na działanie i właściwości. Tworzy się wbudowane pole elektryczne przyspieszające ruch nośników w bazie. Są to tzw. tranzystory z niejednorodną bazą inaczej dryftowe. 7 rozpływ prądów w tranzystorze Złącze baza-emiter (-E) jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza-kolektor (-C) w kierunku zaporowym. Jest to praca w tzw. obszarze aktywnym 8 omówienie rozpływu prądów w tranzystorze Wskutek polaryzacji złącza -E w kierunku przewodzenia z emitera do bazy są wstrzykiwane elektrony. W bazie istnieje wbudowane pole elektryczne E wb. Elektrony wstrzyknięte z emitera do bazy są unoszone przez to pole w kierunku kolektora. Po przejściu przez bazę elektrony dostają się do warstwy zaporowej złącza -C, w której istnieje silne pole elektryczne "wymiatające" te elektrony dalej do obwodu kolektora. Elektrony w emiterze są nośnikami większościowymi, więc swobodnie przechodzą przez złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia (złącze -E). Po znalezieniu się w bazie są nośnikami mniejszościowymi i znowu istnieją dla nich dogodne warunki do dalszego transportowania. Złącze -C to jest spolaryzowane w kierunku zaporowym, zatem łatwo transportowane są nośniki mniejszościowe, a takimi są elektrony, które przebyły drogę z emitera poprzez bazę do złącza -C. Stad złącze -C natychmiast przechwytuje elektrony, przenosząc do obszaru kolektora. 9 3

4 omówienie rozpływu prądów w tranzystorze c.d. Nie wszystkie elektrony, które zostały wstrzyknięte do bazy przez złącze -E dotrą do złącza -C. Cześć z nich rekombinuje w bazie. Ubytek dziur spowodowany rekombinacją musi być uzupełniany przez dopływ nośników do bazy. Z zewnętrznego obwodu bazy wpływa prąd uzupełniający straty ładunku dodatniego. podstawowe równanie dotyczące prądów w tranzystorze I I I E C obowiązuje również dla małych przyrostów prądu I I I E C 0 współczynniki wzmocnienia prądowego współczynnik wzmocnienia prądowego dla prądu stałego w konfiguracji pracy wspólnej bazy W 0 I IC współczynnik wzmocnienia prądowego dla składowych zmiennych w konfiguracji pracy W E I I C E Najczęściej 0 0, 980 0, 995 współczynnik wzmocnienia prądowego dla prądu stałego w konfiguracji pracy wspólnego emitera WE współczynnik wzmocnienia prądowego dla składowych zmiennych w konfiguracji pracy WE związki pomiędzy współczynnikami wzmocnień prądowych w konfiguracjach W i WE 0 współczynniki wzmocnienia prądowego c.d I IC I I C 0 0, 98, 0 0, 98/ ( 0, 98) , 995, 0 0, 995/ ( 0, 995) 00 4

5 Konfiguracje pracy tranzystora W konfiguracja wspólnej bazy wejście sygnału jest między emiterem a bazą a wyjście pomiędzy kolektorem a bazą; baza jest elektrodą wspólną; WE konfiguracja wspólnego emitera wejście sygnału jest pomiędzy bazą a emiterem a wyjście pomiędzy kolektorem a emiterem, emiter jest elektrodą wspólną; WC konfiguracja wspólnego kolektora wejście sygnału jest pomiędzy bazą a kolektorem, wyjście pomiędzy emiterem a kolektorem, kolektor jest elektrodą wspólną. 3 Zakres pracy (stany tranzystora) Zakresy pracy tranzystora Polaryzacja złącza -E -C aktywny przewodzenia zaporowo nasycenia przewodzenia przewodzenia zatkania zaporowo zaporowo inwersyjnie aktywny zaporowo przewodzenia rozkład potencjałów tranzystora w zakresie aktywnym V C >V >V E V C <V <V E dla tranzystora n-p-n dla tranzystora p-n-p 4 Charakterystyki statyczne równania impedancyjne równania admitancyjne równania mieszane U f U f I, I I f U, U U f I, U I, I I f U, U I f I, U równania mieszane najdokładniej odzwierciedlają rzeczywiste warunki pracy tranzystora bipolarnego (sterowanie prądowe na wejściu, sterowanie napięciowe na wyjściu) 5 5

6 Na podstawie równań mieszanych można określić cztery rodziny charakterystyk statycznych: - charakterystyki wejściowe U =f(i ) przy U =const, - charakterystyki zwrotne U =f(u ) przy I =const, - charakterystyki przejściowe I =f(i ) przy U =const, - charakterystyki wyjściowe I =f(u ) przy I =const charakterystyki statyczne dla konfiguracji WE UE f I U const CE UE f UCE I const IC f I U const CE - charakterystyka wejściowa - charakterystyka zwrotna - charakterystyka przejściowa IC f UCE I const - charakterystyka wyjściowa 6 IC f I U const CE UWAGA: jest to złożenie czterech wykresów, a nie jeden wykres IC f UCE I const UE f I U const CE UE f UCE I const 7 Ograniczenia obszaru pracy tranzystora Charakterystyka wyjściowa tranzystora z zaznaczeniem ograniczeń, o których mowa dalej 8 6

7 Maksymalna moc admisyjna P a Moc admisyjna tranzystora - maksymalna wartość iloczynu prądu kolektora I C i napięcia kolektor-emiter U CE przy którym tranzystor może pracować w sposób długotrwały. Krzywa mocy admisyjnej w polu charakterystyk wyjściowych jest hiperbolą I C =P a /U CE (hiperbola mocy admisyjnej). 9 Maksymalny prąd kolektora I Cmax Prąd maksymalny I Cmax jest ograniczeniem wynikającym ze zmian współczynnika wzmocnienia prądowego. Dla dużych prądów kolektora następuje spadek wartości współczynnika wzmocnienia prądowego do poziomów nie akceptowanych w zastosowaniach tranzystora. Uwaga: ograniczenie nie wynika z nadmiernej ilości ciepła wydzielanego w tranzystorze (wartość I Cmax jest mniejsza niż wartość wynikająca z równania hiperboli mocy admisyjnej). 0 Maksymalne napięcie kolektor-emiter U CEmax Ograniczenie spowodowane zjawiskami przebicia tranzystorów. Przebicie Zenera dotyczy złączy emiter-baza, gdyż są to złącza silnie domieszkowane. Przebicie skrośne dotyczy obszaru bazy i polega na tym, że wskutek rozszerzania się warstwy zaporowej złącza baza-kolektor warstwa ta wchłonie cały obszar bazy. Wtedy to nośniki wstrzykiwane przez emiter odbierane są od razu przez kolektor i prąd gwałtownie rośnie. Przebicie to jest możliwe tylko w tranzystorach przy cienkiej bazie. Przebiciu lawinowemu ulegają najczęściej złącza baza-kolektor. 7

8 Prąd zerowy I CE0 Prąd zerowy I CE0 jest to prąd w obwodzie emiter-kolektor przy prądzie bazy I =0. Związek tego prądu z prądem I C0 : ICE0 0 IC0 Jest to prąd graniczny między obszarem aktywnym a obszarem zatkania tranzystora Napięcie nasycenia U CEsat Napięcie nasycenia U CEsat jest wartością ograniczającą minimalne wartości napięcia U CE przy pracy tranzystora w obszarze aktywnym. Rozgranicza ono zakres aktywny i zakres nasycenia tranzystora. Ogólnie definiując: napięcie U CEsat jest to napięcie kolektor-emiter U CE zmierzone przy określonym prądzie kolektora i prądzie bazy spełniającym warunek nasycenia I 0 IC 3 Ograniczenia częstotliwościowe tranzystora Tranzystor nie ma ograniczeń w przenoszeniu sygnału w dolnym zakresie częstotliwości. W górnym zakresie ma ograniczenia definiowane jako częstotliwości graniczne Charakterystyka częstotliwościowa zmian modułu współczynnika wzmocnienia prądowego z zaznaczeniem częstotliwości granicznych 4 8

9 częstotliwość graniczna f częstotliwość, przy której moduł współczynnika wzmocnienia prądowego w konfiguracji WE maleje o 3 d częstotliwość graniczna częstotliwość, przy której moduł współczynnika wzmocnienia prądowego w konfiguracji WE równa się jedności częstotliwość graniczna f T f częstotliwość, przy której moduł współczynnika wzmocnienia prądowego w konfiguracji W maleje o 3 d 5 9