Zasada działania tranzystora bipolarnego

Transkrypt

1 Tranzystor bipolarny Ryszard J. Barczyński, 2016 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Zasada działania tranzystora bipolarnego przydał by się aparat wstrzykujący... nasz aparat wstrzykujący Gdyby udało nam się zbudować aparat wstrzykujący określoną liczbę nośników (elektronów lub dziur) w obszar zubożony złącza, moglibyśmy zmieniając prędkość wstrzykiwania (generacji) regulować prąd płynący przez diodę spolaryzowaną w kierunku zaporowym...

3 Zasada działania tranzystora bipolarnego budujemy aparat wstrzykujący... Zbudujmy strukturę p+-n-p, taką jak na rysunku. Złącze p-n polaryzujemy w kierunku zaporowym, a n-p+ w kierunku przewodzenia. W takim układzie złącze p+-n wstrzykuje dziury do obszaru n. Jeżeli zdołają one przedyfundować w obszar spolaryzowanego zaporowo złącza n-p, to zwiększą jego prąd wsteczny. By było to możliwe obszar typu n musi być wąski w porównaniu z drogą dyfuzji dziur.

4 Zasada działania tranzystora bipolarnego Opisana struktura to tranzystor pnp. Obszar p+ nazywamy emiterem, a złącze p+-n złączem emiterowym. Obszar n nazywamy bazą, obszar p kolektorem, a złącze n-p złączem kolektorowym. Prąd emitera powinien być złożony z dziur, a nie elektronów, z tej właśnie przyczyny baza jest w stosunku do emitera słabo domieszkowana.

5 rozpływ prądów 1) dziury tracone na rekombinację w bazie; 2) dziury osiągające złącze kolektora spolaryzowane zaporowo; 3) cieplna generacja dziur i elektronów tworząca prąd nasycenia złącza kolektorowego; 4) elektrony dostarczane do bazy i rekombinujące z dziurami; 5) elektrony wstrzyknięte do obszaru emitera przez złącze emiterowe.

6 wzmacnianie za pomocą tranzystora Wykażemy, że prąd kolektora (i w zasadzie emitera) jest sterowany niewielkim prądem bazy. Założenia pomijamy prąd nasycenia złącza kolektorowego, pomijamy rekombinację w obszarach przejściowych. Prąd kolektora jest proporcjonalny do składowej dziurowej prądu emitera: i C =B i Ep gdzie B jest częścią dziur, które nie zrekombinowały.

7 wzmacnianie za pomocą tranzystora i E =i Ep i En Zdefiniujemy współczynnik sprawności emitera (w dobrym tranzystorze jest on bliski jedności): i Ep = i Ep i En ic ie = B i Ep i En i Ep =B = Współczynnik jest bliski jedności.

8 wzmacnianie za pomocą tranzystora i B =i En 1 B i Ep Policzymy stosunek prądu kolektora do prądu bazy: i Ep B ic i Ep i En i Ep B =B = = = = ib i En 1 B i Ep i Ep 1 B 1 1 B i En i Ep Współczynnik nosi nazwę współczynnika wzmocnienia prądowego. W dobrych tranzystorach o dużym wzmocnieniu może osiągać 1000.

9 wzmacnianie za pomocą tranzystora ic ib = Mały prąd bazy steruje dużym prądem kolektora. Jak to wykorzystać?

10 tranzystory pnp oraz npn Zamiast konfiguracji warstw p+-n-p możemy zbudować n+-p-n. Otrzymany w ten sposób tranzystor będzie miał bliźniacze właściwości, ale zamiast dziur z emitera będą wstrzykiwane elektrony. Można je stosować zamiennie pod warunkiem odwrócenia wszystkich źródeł zasilania. Produkuje się pary tranzystorów npn/pnp o identycznych parametrach (pary komplementarne).

11 tranzystory pnp oraz npn

12 układy pracy tranzystora Źródło sygnału i odbiornik (obciążenie) możemy włączać w obwód tranzystora na rozmaite sposoby. W zależności od sposobu włączenia otrzymane układy będą się różniły wzmocnieniem prądowym, wzmocnieniem napięciowym, opornością wejściową i opornością wyjściową.

13 układ wspólnej bazy W układzie wspólnej bazy jedno z wyprowadzeń zarówno sygnału wejściowego, jak i wyjściowego jest przyłączone do bazy. Układ taki jest stosowany głównie w obwodach wysokiej częstotliwości. wzmocnienie prądowe: nieco mniejsze od 1 wzmocnienie napięciowe: znaczne oporność wejściowa: mała oporność wyjściowa: duża

14 układ wspólnej bazy

15 układ wspólnego emitera wzmocnienie prądowe: znaczne wzmocnienie napięciowe: znaczne oporność wejściowa: średnia oporność wyjściowa: duża W układzie wspólnego emitera jedno z wyprowadzeń zarówno sygnału wejściowego, jak i wyjściowego jest przyłączone do emitera. Układ taki jest często stosowany - charakteryzuje się wzmocnieniem zarówno napięciowym jak i prądowym.

16 układ wspólnego emitera

17 układ wspólnego kolektora (wtórnik emiterowy) wzmocnienie prądowe: znaczne wzmocnienie napięciowe: nieco mniejsze od 1 oporność wejściowa: duża oporność wyjściowa: mała

18 stabilizacja punktu pracy Tranzystorów nie cechuje duża powtarzalność i stabilność parametrów... Szczególnie przykre są ich zmiany ze zmianami temperatury. Powoduje to zmiany punktu pracy elementów układu elektronicznego i może doprowadzić do dużych zakłóceń jego funkcji.

19 stabilizacja punktu pracy Blisko odcięcia W obszarze liniowym Blisko nasycenia

20 stabilizacja punktu pracy Z trzech układów wzmacniaczy w układzie WE układy (b) i (c) posiadają stabilizację punktu pracy za pomocą sprzężenia zwrotnego.

21 stabilizacja punktu pracy układ wspólnej bazy

22 stabilizacja punktu pracy układ wspólnego kolektora Układ wspólnego kolektora nie wymaga specjalnych rozwiązań stabilizacji punktu pracy.