Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

2 1947 r. pierwszy tranzystor ostrzowy John Bradeen (z lewej), William Shockley (w środku) i Walter Brattain (z prawej) (Bell Labs) Zygmunt Kubiak 2

3 1947 r. pierwszy tranzystor ostrzowy John Bradeen, William Shockley i Walter Brattain (Bell Labs) Zygmunt Kubiak 3

4 German typ n (domieszka Arsen), typ p (domieszka Ind) Zygmunt Kubiak 4

5 1950 r. - pierwszy tranzystor złączowy bipolarny Zygmunt Kubiak 5

6 Tranzystor złączowy bipolarny Zygmunt Kubiak 6

7 Tranzystor złączowy bipolarny Zygmunt Kubiak 7

8 Tranzystor złączowy bipolarny, planarny Zygmunt Kubiak 8

9 1957 r. pierwszy złączowy tranzystor polowy JFET Zygmunt Kubiak 9

10 1959 r. pierwszy tranzystor MOSFET Zygmunt Kubiak 10

11 Podział tranzystorów - uproszczony Tranzystory bipolarne typ npn typ pnp Tranzystory polowe (FET) złączowe (JFET) z kanałem n z kanałem p z kanałem zubożanym z izolowaną bramką (MOSFET) z kanałem wzbogacanym z kanałem n z kanałem p z kanałem n z kanałem p Zygmunt Kubiak 11

12 Tranzystory bipolarne Zygmunt Kubiak 12

13 Rozpływ prądu w tranzystorze złączowym bipolarnym Gdy złącze B-E spolaryzowane jest przewodząco to istnieje przepływ dziur z obszaru p do n oraz elektronów z obszaru n do p Część elektronów w obszarze p (bazy) łączy się z dziurami (rekombinuje) Zdecydowana większość elektronów, wstrzykiwanych z obszaru emitera do cienkiej warstwy bazy (p), trafia do złącza B-C a stąd pod wpływem pola elektrycznego do elektrody kolektora Zygmunt Kubiak 13

14 Rozpływ prądu w tranzystorze złączowym bipolarnym Prąd bazy składa się z prądu rekombinacji oraz prądu wstrzykiwania dziur z obszaru bazy do obszaru emitera Prąd bazy jest znacznie mniejszy od prądu kolektora (IB << IC); stosunek prądu kolektora do prądu bazy nazywany jest wzmocnieniem prądowym tranzystora, oznaczanym grecką literą ß Tranzystory są konstruowane w taki sposób aby uzyskać duże wzmocnienie prądowe (wąski obszar bazy i silnie domieszkowany obszar emitera (n)) Zygmunt Kubiak 14

15 Rozpływ prądu w tranzystorze złączowym bipolarnym Gdy złącze B-E spolaryzowane jest zaporowo, to w obwodzie kolektora płynie niewielki prąd IC0 (zależny od temperatury) Prąd kolektora z uwzględnieniem prądu zerowego ma postać IC = (1+β) IC0 + β IB Ponieważ IC0 << IB to z reguły stosuje się wzór uproszczony ß = IC / IB Zygmunt Kubiak 15

16 Bipolarny tranzystor npn w układzie wzmacniacza (wspólny E) Złącze C-B spolaryzowane w kierunku zaporowym, natomiast złącze B-E spolaryzowane w kierunku przewodzenia Zygmunt Kubiak 16

17 Bipolarny tranzystor npn w układzie wzmacniacza (wspólny E) Bipolarny tranzystor pnp w układzie wzmacniacza (wspólny E) Zygmunt Kubiak 17

18 Charakterystyki tranzystora Zygmunt Kubiak 18

19 Charakterystyki tranzystora Zygmunt Kubiak 19

20 Charakterystyki tranzystora Wzmocnienie nie jest stałe i zależy od prądu Wzmocnienie statyczne i dynamiczne Zygmunt Kubiak 20

21 Parametry graniczne tranzystora UEB0max dopuszczalne napięcie wsteczne B-E UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne C-B UCE0max maksymalne napięcie dopuszczalne C-E ICmax - maksymalny prąd kolektora IBmax - maksymalny prąd bazy Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat Zygmunt Kubiak 21

22 Parametry graniczne tranzystora SOA - dozwolony obszar pracy aktywnej (ang. Safe Operating Area) Najwięcej mocy strat wydziela się w krótkich chwilach przełączania Zygmunt Kubiak 22

23 Parametry graniczne tranzystora Zygmunt Kubiak 23

24 Charakterystyka wyjściowa tranzystora (rzeczywista) Punkty pracy Zygmunt Kubiak 24

25 Charakterystyka wyjściowa tranzystora (uproszczona) Stan aktywny opisany równaniem IC = β IB + ICE0 Brak zależności od UCE Stałe wzmocnienie prądowe β Napięcie UBE nie zależy od IB Napięcie UCES nie zależy od prądu kolektora IC ani prądu bazy IB Granica między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora występuje dla UCB = 0 czyli UCE = UBE Zygmunt Kubiak 25

26 Tranzystory polowe Zygmunt Kubiak 26

27 Charakterystyki tranzystorów polowych Zygmunt Kubiak 27

28 Działanie tranzystorów JFET (ang. Junction Field Effect Transistor) a) zwarte elektrody b) zaporowa polaryzacja złącza GS c) polaryzacja złącza DS. d) napięcie UDS większe niż na rys. c) Rezystancja kanału DS tranzystora JFET zależy od napięcia UDS Zygmunt Kubiak 28

29 Działanie tranzystorów MOSFET (ang. Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) z kanałem indukowanym n+ oznacza silnie domieszkowany półprzewodnik typu n a) rozkład ładunków dla UGS = UDS =0; wokół obszaru źródła i drenu występuje obszar ładunku ujemnych jonów domieszki akceptorowej; b) bramka spolaryzowana dodatnio względem źródła (UGS > 0); dodatnia polaryzacja bramki indukuje pod jej powierzchnią warstwę inwersyjną (warstwa elektronów swobodnych) a głębiej, warstwę ujemnych jonów akceptorowych z której wypchnięte zostały dziury Warstwa inwersyjna stanowi wyindukowany kanał łączący źródło z drenem Zygmunt Kubiak 29

30 Działanie tranzystorów MOSFET (ang. Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) z kanałem indukowanym c) rozkład ładunków dla UGS > 0 i UDS > 0; wokół obszaru źródła i drenu występuje obszar ładunku ujemnych jonów domieszki akceptorowej; d) jak w c) ale zwiększone napięcie UDS co powoduje dalsze zawężenie kanału; charakterystyki wyjściowe ulegają ugięciu nie są liniowe Zygmunt Kubiak 30

31 Charakterystyki przejściowe tranzystorów MOSFET (ang. Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) d) jak w c) ale zwiększone napięcie UDS co powoduje dalsze zawężenie kanału; charakterystyki wyjściowe ulegają ugięciu nie są liniowe Zygmunt Kubiak 31

32 Inne typy tranzystorów Zygmunt Kubiak 32

33 Tranzystory IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) Łąc Zygmunt Kubiak 33

34 Tranzystory IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) Łąc TRANZYSTOR IGBT FUJI 2MBI600NT V 600A Zygmunt Kubiak 34

35 Zygmunt Kubiak 35

36 Dziękuję Zygmunt Kubiak

37 Charakterystyka wyjśc Charakterystyka wyjściowa tranzystora (uproszczona) tranzystora (uproszcz Stan aktywny opisany równaniem IC = β IB + ICE0 Stan aktywny opisany równaniem IC = β IB + Brak zależności od UCE Brak zależności od UCE Stałe wzmocnienie prądowe β Stałe wzmocnienie prądow Napięcie UBE nie zależy od IB Napięcie UBE nie zależy o Napięcie UCES nie zależy prądu kolektora IC ani prądu bazy IB Napięcie UCES nie zależy Granica między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora występuje kolektora IC ani prądu ba dla UCB czyli UCE = UBE Granica między stanem aktywnym a stanem nasyc tranzystora występuje d czyli UCE = UBE Zygmunt Kubiak 37

38 1950 r. - pierwszy tranzystor złączowy bipolarny Zygmunt Kubiak 38

39 Zygmunt Kubiak 39

40 W standardowym równaniu, opisującym spadek napięcia baza-emiter w tranzystorze bipolarnym, według modelu Ebbersa Molla, występuje temperaturowo uzależniony zwrotny prąd nasycenia (In) Na schemacie zostało to jednak uproszczone przyjęciem identycznej geometrii obu diod i przeliczania prądu w diodach. W tym przykładzie przyjęto stosunek natężeń prądu w diodach jak 16:1. Układ ten pozwala na pojedynczy pomiar różnicowy, umożliwiający wyeliminowanie szumu w diodzie, co poprawia szumowe parametry systemu. Ponieważ jednak w zdalnym czujniku diodowym jest tylko jedna dioda, wykonuje się kolejno dwa pomiary różnicowe i bierze ich różnicę, otrzymując poziom sygnału około 240µV/ o C. Zygmunt Kubiak 40

41 Zygmunt Kubiak 41

42 Zygmunt Kubiak 42