Tranzystory bipolarne

Transkrypt

1 Tranzystory bipolarne Tranzystor jest to element półprzewodnikowy, w zasadzie trójelektrodowy, umożliwiający wzmacnianie mocy sygnałów elektrycznych. Tranzystory są to trójelektrodowe przyrządy półprzewodnikowe o właściwościach wzmacniających. Możemy wyróżnić trzy grupy tranzystorów: bipolarne, polowe i jednozłączowe. Kombinacja dwóch złączy p-n w jednej płytce półprzewodnika stanowi obszar roboczy tranzystora bipolarnego. Rozróżnia się tranzystory n-p-n i p-n-p. Zasady działania tranzystorów n-p-n i p-n-p są jednakowe. Różnice występują tylko w biegunowości zewnętrznych źródeł napięcia i kierunku przepływu prądu. lementarna struktura tranzystora bipolarnego składa się z trzech wytworzonych na płytce monokrystalicznego półprzewodnika warstw, kolejno npn lub pnp. Warstwy te są nazywane zgodnie z ich funkcjami: emiter dostarcza nośniki mniejszościowe do bazy, baza stanowi podstawę dla obu złączy, kolektor zabiera nośniki wstrzykiwane z emitera do bazy. Każdy z trzech obszarów tranzystora (emiter, baza, kolektor) ma na swojej powierzchni naniesioną warstwę metaliczną, za pośrednictwem, której jest łączony z wyprowadzeniem zewnętrznym. Połączenia takie są realizowane techniką zgrzewania eutektycznego bezpośrednio do obudowy i/lub za pomocą drutu (Al, Au). ała konstrukcja tranzystora jest zwarta i odporna na drgania i narażenia mechaniczne. Obszar środkowy struktury tranzystora, w którym baza ma najmniejszą grubość, ma najistotniejsze znaczenie dla jego działania. Tranzystor bipolarny można, więc rozpatrywać jako szeregowe połączenia płaskich obszarów emitera, bazy i kolektora. a) p n p b) n p n Rys.1. Model struktury i symbole graficzne tranzystora bipolarnego: a) pnp; b) npn W normalnych warunkach pracy złącze emiterowe (emiter baza) jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, natomiast złącze kolektorowe (kolektor baza) ma polaryzację przeciwną.

2 Przez spolaryzowane w kierunku przewodzenia złącze emiterowe wstrzykiwane są z emitera do bazy nośniki większościowe emitera. Nośniki te poruszają się w bazie w kierunku kolektora wskutek mechanizmu dyfuzji oraz unoszenia przez siły pola elektrycznego bazy. Docierają one do kolektora przez spolaryzowane zaporowe złącze kolektorowe, którego pole ma kierunek zgodny z polem bazy i wspomaga ruch wstrzykniętych z emitera nośników do kolektora. Wartość strumienia nośników docierających do kolektora może być w prosty sposób regulowana przez zmianę polaryzacji złącza emiterowego. Przy tym niewielkie zmiany napięcia przewodzenia złącza emiterowego powodują znaczne zmiany strumienia emitowanego, a w konsekwencji prądu kolektorowego. Model diodowy Tranzystor bipolarny można rozpatrywać jako dwie przeciwstawnie połączone i sprzężone ze sobą diody półprzewodnikowe. Symbole diod w modelu reprezentują wyizolowane złącza tranzystora: emiterowe i kolektorowe. Rys. 2 Rozkłady domieszek w tranzystorach a dyfuzyjnym b - epitaksjalnym

3 W modelu stosuje się pojęcie bazy wewnętrznej. Jest to węzeł. aza jest połączona z bazą wewnętrzna za pomocą rezystancji r bb,zwanej rezystancją rozproszoną bazy. Rezystancja ta prezentuje fakt istnienia pewnego spadku napięcia w obszarze bazy, wywołanego prądem bazy. Dla szacowania przebiegu charakterystyk w najbardziej typowych warunkach pracy tranzystora można dokonać dalszego uproszczenia modelu diodowego. Rys. 3 Uproszczony model diodowy stałoprądowy tranzystora. Na poniższym rysunku przedstawiono typowe przebiegi charakterystyk tranzystora pracującego w układzie ze wspólną bazą (O): zależność prądów od napięcia emiter baza przy stałym zaporowym napięciu złącza kolektorowego oraz zależności prądu kolektora od napięcia kolektor baza przy napięciu emiter baza jako parametrze. Zależności prądów od napięcia U przypominają charakterystykę złącza. Występuje w nich pewien prób, określany napięciem U T, po przekroczeniu, którego następuje duży wzrost prądów. Przy napięciu przewodzenia złącza emiterowego mniejszych od U T prądy tranzystora są natomiast relatywnie małe i dlatego przyjmuje się, że tranzystor pracuje w stanie przytkania. Dla napięć zaporowych złącza emiterowego prądy są zwykle pomijalnie małe i dlatego takie warunki pracy są określane jako stan odcięcia.

4 Rys. 4 harakterystyki statyczne tranzystora n-p-n w układzie O Zależność prądu kolektora od napięcia kolektora ma dwa charakterystyczne zakresy aktywny i nasycenia. Zakres aktywny, to zakres dotychczas określany jako normalny. W tym zakresie złącze emiterowe jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, złącze kolektorowe zaś w kierunku zaporowym. Stan nasycenia charakteryzuje się z kolei tym, że oba złącza tranzystora mają polaryzację w kierunku przewodzenia. W zakresie aktywnym prąd kolektora jedynie nieznacznie wzrasta z napięciem kolektora, odpowiednio do wzrostu współczynnika powielania M, który jest głównym czynnikiem powodującym zmiany.

5 Rys. 5 harakterystyki statyczne tranzystora n-p-n w układzie wspólnego emitera Na powyższym rysunku przedstawiono typowe charakterystyki statyczne tranzystora pracującego w układzie ze wspólnym emiterem. Ich przebieg jest również zgodny z równaniami bersa-molla, z tym że w równaniach tych należy podstawić wartości napięć z uwzględnieniem relacji U = -U ; U = U + U Zakres nasycenia w tym układzie pracy występuje po tej samej stronie osi napięć U co i zakres aktywny, gdyż przy napięciach kolektora mniejszych od napięcia bazy złącze kolektorowe jest w stanie przewodzenia. Właściwości i parametry. Właściwości tranzystora opisują rodziny jego charakterystyk statycznych i parametry dynamiczne. harakterystyki statyczne przedstawiają zależności między prądami: emitera I, bazy I, kolektora I i napięciami: baza-emiter U, kolektor-emiter U i kolektor-baza U, stałymi lub wolno zmieniającymi się. Rozróżnia się charakterystyki: wyjściowe, wejściowe, przejściowe, zwrotne.

6 R U I R I U U I Rys. 3. Schemat połączeń tranzystora bipolarnego w układzie O. Zewnętrzne źródła napięcia i (rys. 3) służą do polaryzacji dwóch złączy tranzystora: kolektor-baza i emiter-baza. Możliwe są cztery warianty polaryzacji, odpowiadające czterem różnym stanom pracy tranzystora: nasycenia i w kierunku przewodzenia, przewodzenia w kierunku przewodzenia a w zatkania, odcięcia i zatkania, inwersyjnym zatkania a przewodzenia. W obwodzie baza-emiter oprócz źródła może się również znajdować źródło sygnału, a w obwodzie kolektor-emiter obciążenie. Zacisk emitera jest wspólny dla obwodu we i wy. Dlatego układ nazywa się układem ze wspólnym emiterem O. Występuje również ze wspólnym kolektorem O i wspólną bazą O. Między napięciami i prądami tranzystora zachodzą następujące relacje: U =U +U I =-(I +I ) W przedstawionych układach pracy tranzystor ma zawsze dwa zaciski wejściowe i dwa zaciski wyjściowe, a więc może być traktowany jako czwórnik rys.4. II I0 UI U0 Rys. 4. zwórnik taki może być opisany parą równań hybrydowych (dla O): U =h 11 I +h 12 U I =h 21 I +h 22 U

7 W równaniach tych prądy i napięcia mają wartość stałą. Korzystając ze stanu jałowego i stanu zwarcia czwórnika możemy wyznaczyć parametry hybrydowe: Impedancja wejściowa tranzystora U h = Współczynnik oddziaływania wstecznego 11, U = 0 I U h = 12, I = 0 U Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego (β 0 ) Admitancja wyjściowa tranzystora I 22, I = 0 U h = I h = 21, U = 0 I Dla zmiennych wartości napięć i prądów układ równań mieszanych przyjmie postać: U =h 11e I +h 12e U I =h 21e I +h 22e U I [ma] U =20V I =30µ A U =10V I =20µ A I =10µ A Rys. 5. ztery rodziny charakterystyk statycznych tranzystora w układzie O. I [ µ A] I =0µ A U [V] U =10V U =20V U [V] W I ćwiartce rys. 5. przedstawione są charakterystyki wyjściowe przedstawiające związek między prądem kolektora I i napięciem kolektoremiter U. Przebieg ich zależy od prądu bazy I, który jest parametrem rodziny krzywych. Na charakterystykach wyjściowych można wyróżnić kilka zakresów związanych z polaryzacją złączy emiter-baza i kolektor-baza. Najczęściej wykorzystuje się zakres aktywny, w którym złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia (potencjał bazy wyższy od potencjału

8 emitera), zaś złącze kolektor-baza w kierunku wstecznym (potencjał kolektora wyższy od potencjału bazy). Najczęściej tranzystor pracuje w zakresie prostoliniowej części charakterystyki. Dla tego zakresu małe zmiany prądu kolektora I dają duże zmiany napięcia U. W tym zakresie wyznaczamy parametr h 22 W II ćwiartce przedstawiona jest zależność prądu wyjściowego I od prądu wejściowego I przy stałym napięciu wyjściowym U. Jest to rodzina charakterystyk przejściowych I = f(i ). Z charakterystyk tych wyznaczamy parametr h 21.tranzystora. W III ćwiartce wykreślona jest zależność I = f(u ) przy U = const. Jest to rodzina charakterystyk wejściowych. W IV ćwiartce wykreślona jest zależność U = f(u ) przy I = const. Jest to rodzina charakterystyk zwrotnych. Do parametrów dynamicznych tranzystorów bipolarnych należą parametry różniczkowe i parametry impulsowe. Parametry różniczkowe są wielkościami opisującymi właściwości tranzystora przy małych sygnałach prądu zmiennego. Sygnały takie występują najczęściej przy pracy tranzystora w układzie elektronicznym na tle sygnałów stałych o dużych wartościach, polaryzujących w odpowiedni sposób elektrody tranzystora, czyli ustalających punkt pracy na charakterystykach statycznych. Do parametrów różniczkowych należą np. współczynniki wzmocnienia α 0 i β 0. Właściwości częstotliwościowe tranzystora bipolarnego charakteryzują: - częstotliwość f α, dla której moduł zwarciowego współczynnika wzmocnienia prądowego α 0 zmniejszy się o 3d w stosunku do wartości przy małej częstotliwości; - częstotliwość f β, dla której moduł zwarciowego współczynnika wzmocnienia prądowego β 0 zmniejszy się o 3d w stosunku do wartości przy małej częstotliwości; - częstotliwość f T, będąca iloczynem współczynnika wzmocnienia prądowego β 0 dla małej częstotliwości i częstotliwości granicznej f β f T f β β 0 Między wymienionymi częstotliwościami zachodzą reakcje fβ< ft< fα przy czym zależność współczynnika β 0 od częstotliwości ma postać β 0 β 0 ( f ) =. f 1+ j f Ze względu na wartość częstotliwości f T tranzystory dzieli się na: - małej częstotliwości (f T 3MHz), - średniej częstotliwości (3MHz f T 30MHz), - wielkiej częstotliwości (30Mhz f T 300MHz), - bardzo wielkiej częstotliwości (f T 300MHz. β

9 W analizie układów elektronicznych tranzystorowi bipolarnemu przyporządkowuje się pewien schemat zastępczy. Istnieje szereg takich schematów. Jeden z uproszczonych schematów, tzw. hybryd π układu O, słuszny w zakresie aktywnym dla małych sygnałów i częstotliwości, przedstawiono na poniższym rysunku. Na schemacie tym, występuje dodatkowa rezystancja r bb`. Jest to rezystancja obszaru bazy tranzystora między doprowadzeniem zewnętrznym i tzw. bazą wewnętrzną `. Wynosi ona od kilkudziesięciu do kilkuset omów. W zakresie większych częstotliwości należy również uwzględnić pojemność złączy (naniesione liniami kreskowymi). b`c rbb` Ib ` I Ib` I` = β0i`b U rbe b`e rce U Rys. 6. Uproszczony schemat zastępczy małosygnałowy tranzystora bipolarnego w układzie O. Parametry impulsowe opisują procesy przejściowe podczas przełączania między stacjonarnymi stanami tranzystora, którymi są stan nieprzewodzenia i stan nasycenia. Przypisy: - dr hab. inż. Michał Polowczyk LMNTY I PRZYŻĄDY PÓŁPRZWODNIKOW POWSZHNGO ZASTOSOWANIA oraz własne materiały Pracę przygotował: Dariusz Pasek KL. III te