Wiadomości podstawowe

Transkrypt

1 Wiadomości podstawowe Tranzystory są urządzeniami półprzewodnikowymi umożliwiającymi sterowanie przepływem dużego prądu, za pomocą prądu znacznie mniejszego. Wykorzystuje się je do wzmacniania małych sygnałów oraz przetwarzania informacji w postaci cyfrowej. Nazwa "tranzystor" pochodzi z połączenia słów transfer i rezystor. Poniżej przedstawiony został pierwszy tranzystor, zbudowany w 1948 roku metodą ostrzową. Jego konstruktorami byli J. Bardeen oraz W.H. Brattain. Pierwszy tranzystor bipolarny zbudował rok później inny amerykański fizyk - W.B. Shockley. Cała ta trójka za wynalezienie tranzystora otrzymała w 1956 roku Nagrodę Nobla. Nazwa bipolarne dotyczy tranzystorów, w których transport ładunków odbywa się za pośrednictwem obu rodzajów nośników jakie istnieją w półprzewodniku, tzn. elektronów i dziur. Półprzewodniki, w których na skutek nieregularności sieci krystalicznej przeważają nośniki typu dziurowego nazywa się półprzewodnikami typu p (niedomiarowymi), gdy przeważają nośniki elektronowe nazywa się je półprzewodnikami typu n (nadmiarowymi). Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje powstanie dwóch złączy: p-n i n-p.

2 Istnieją dwie możliwe konfiguracje złączy p-n i n-p prowadzące do powstania dwóch rodzajów tranzystorów bipolarnych. Symbole graficzne tranzystorów npn i pnp oraz ich diodowe modele zastępcze. Zasada działania Zasada działania tranzystora bipolarnego omówiona zostanie na podstawie tranzystora NPN: Przepływ prądu w tranzystorze npn Przez złącze BE tranzystora npn przepływają nośniki większościowe ładunku, w tym przede wszystkim elektrony swobodne z emitera (typ n) do bazy. Również dziury z obszaru bazy (typ p) przepływają przez złącze do emitera. Prąd dziurowy jest znacznie mniejszy ze względu na mniejszą liczbę dziur, wynikającą z mniejszej objętości emitera. Mniejsza część elektronów swobodnych po osiągnięciu obszaru bazy wypełnia istniejące tam dziury, czyli podlega procesowi rekombinacji. Znacznie większa część elektronów swobodnych po znalezieniu się w obszarze bazy jest przyciągana przez kolektor i przepływa przez złącze BC spolaryzowane zaporowo, tak jak własne nośniki mniejszościowe bazy. Wypływające z emitera elektrony swobodne tworzą prąd emitera I E, który rozdziela się w obszarze bazy na mały prąd bazy I B i duży prąd kolektora I C.

3 Podstawowe parametry tranzystora Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza. Miarą tego na ile prąd kolektora odpowiada prądowi emitera jest współczynnik nazywany zwarciowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu emitera (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WB), definiowany jako: = (I C -I C0 )/I E gdzie I C0 jest prądem złącza kolektorowego spolaryzowanego zaporowo przy I B =0. Konstrukcja tranzystora bipolarnego, a głównie małe rozmiary bazy sprawiają, że stosunek między prądem kolektora, a prądem bazy jest stały. Stosunek I C / I B nazywa się współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu bazy (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WE) i oznacza się symbolem. I E = I C + I B I C = I B Zależność pomiędzy obydwoma współczynnikami opisuje równanie: = / (1- ) Stały stosunek I C / I B oznacza, ze pewnej wartości prądu bazy I B odpowiada określona wartość prądu kolektora I C. Można zatem zmieniać prąd bazy po to aby uzyskiwać -krotnie większe zmiany prądu kolektora. Uzyskuje się zatem wzmocnienie przez tranzystor mocy sygnału sterującego. Większą moc sygnału w obwodzie kolektora otrzymuje się kosztem mocy czerpanej z zasilacza. Dla sygnałów zmiennoprądowych o małych amplitudach tranzystor jest czwórnikiem liniowym. Czwórnik opisywany jest za pomocą czterech wielkości wyrażających napięcia i prądy na jego wejściu i wyjściu. Aby móc opisać go za pomocą układu równań dwóch zmiennych należy dwie z czterech wielkości czwórnika opisać za pomocą dwóch pozostałych. W zależności od tego, które ze zmiennych uznane zostaną za zmienne zależne, a które za zmienne niezależne otrzymać można 6 różnych układów równań. Najczęściej wykorzystywane są jednak układy z parametrami: a) impedancyjnymi: U 1 = z 11 I 1 + z 12 I 2 U 2 = z 21 I 1 + z 22 I 2 b) admitancyjnymi:

4 I 1 = y 11 U 1 + y 12 U 2 I 2 = y 21 U 1 + y 22 U 2 c) mieszanymi h (układ z parametrami hybrydowymi): U 1 = h 11 I 1 + h 12 U 2 I 2 = h 21 I 1 + h 22 U 2 Wykorzystane w tych równaniach parametry h, mają następujący sens fizyczny: - impedencja wejściowa przy zwartym wyjściu; - współczynnik sprzężenia zwrotnego przy rozwartym wyjściu; - współczynnik sprzężenia prądowego przy zwartym wyjściu; - admitancja wyjściowa przy rozwartym wyjściu Tranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora. Są to: U EBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter U CBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza U CEOmax - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter I cmax - maksymalny prąd kolektora I Bmax - maksymalny prąd bazy P stmax - maksymalna dopuszczalna moc strat Parametry takie jak I cmax, U CEOmax, P strmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy, który nosi również nazwę "dozwolonego obszaru pracy aktywnej" w skrócie SOA (Safe Operating Area). Na poniższym wykresie charakterystyki wyjściowej tranzystora pokazano przykład dozwolonego obszaru pracy tranzystora:

5 Oprócz parametrów granicznych w katalogach podawane są również często i inne parametry. W poniższej tabelce podane zostały parametry dla przykładowych tranzystorów. Parametry tranzystorów bipolarnych w znacznym stopniu zależą również od temperatury. Prąd zerowy I CBO jest w przybliżeniu wykładniczą funkcji temperatury i przy jej wzroście o 10K w przybliżeniu podwaja swoją wartość. Tranzystory krzemowe - ze względu na małą wartość I CBO - mogą być stosowane aż do temperatury ok. 473 K (200 C). Współczynnik wzmocnienia prądowego wzrasta na ogół ze wzrostem temperatury. Wzrost ten jest rzędu kilku procent na stopień kelwina. Przy stałej wartości prądu bazy, napięcie baza-emiter U BE za wzrostem temperatury maleje. Sposoby polaryzacji tranzystora Tranzystor składa się z dwóch złączy PN, które mogą być spolaryzowane w kierunku zaporowym lub przewodzenia. W związku z tym można wyróżnić cztery stany pracy tranzystora.

6 Stan tranzystora Kierunki polaryzacji złączy tranzystora Złącze emiter-baza Złącze kolektor-baza Zatkanie Zaporowy Zaporowy Przewodzenie aktywne Przewodzenia Zaporowy Nasycenie Przewodzenia Przewodzenia Przewodzenie inwersyjne Zaporowy Przewodzenia Najważniejszym z tych nich jest obszar pracy aktywnej, gdyż to właśnie w tym obszarze tranzystor wykazuje swoje właściwości wzmacniające, które są wykorzystywane praktycznie. Tranzystor pracujący w układach analogowych musi być w stanie aktywnym, a w układach cyfrowych - w stanach zatkania lub nasycenia. Układy pracy tranzystora Tranzystor jako element trójkońcówkowy, czyli trójnik może być połączony w układzie elektronicznym w rozmaity sposób. W matematycznym opisie tranzystora - trójnika - traktuje się go zwykle jako czwórnik, przyjmując jedną z końcówek jako wspólną dla wejścia i wyjścia. W zależności od tego, którą z końcówek wybieramy za wspólną, rozróżnia się konfiguracje: 1. Układ ze wspólnym emiterem OE (WE) 2. Układ ze wspólną bazą OB. (WB) 3. Układ ze wspólnym kolektorem OC (WC) Wybór układu pracy jest zależny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora.

7 Tranzystor pracujący w układzie OE jest najczęściej używany w układach elektronicznych ponieważ charakteryzuje się: -dużym wzmocnieniem prądowym - dużym wzmocnieniem napięciowym - dużym wzmocnieniem mocy Napięcie wejściowe w OE jest odwrócone w fazie o 180 st. W stosunku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset, a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt k. Tranzystor pracujący w układzie OB. ma: - małą rezystancję wejściową - bardzo dużą rezystancje wyjściową - wzmocnienie prądowe bliskie jedności Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych, niekiedy nawet rzędu GHz. Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się: - dużą rezystancją wejściową (co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości) - wzmocnieniem napięciowym równym jedności (stąd jest nazywany również wtórnikiem emiterowym) - dużym wzmocnieniem prądowym Podstawowe charakterystyki Tranzystor pracujący w dowolnym układzie pracy charakteryzują prądy przez niego płynące i napięcia panujące na jego zaciskach. W związku z tym można określić cztery rodziny statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych. Które przedstawione zostały na poniższych rysunkach:

8 1) Charakterystyka wyjściowa tranzystora, przedstawiająca zależność prądu kolektora I C od napięcia kolektor-emiter U CE przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter U BE i stałym prądzie bazy I B. Z charakterystyki tej można stwierdzić iż powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia U CE, oraz że do wywołania dużej zmiany prądu kolektora I C wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter U BE 2) Charakterystyka przejściowa przedstawia prąd kolektora I C jako funkcję napięcia bazaemiter U BE, oraz I B =const. Charakterystyka ta ma charakter wykładniczy. 3) Charakterystyka wejściowa opisuje zależność prądu bazy I B od napięcia baza-emiter U BE, przy stałym napięciu kolektor-emiter U CE. Charakterystyka ta, podobnie jak i następna jest wykorzystywana rzadziej od dwóch wcześniejszych. 4) Charakterystyka zwrotna przedstawia zależność prądu kolektora od prądu kolektora I C od prądu bazy I B, przy U CE =const Widać na niej, że prąd kolektora jest w pewnym stopniu proporcjonalny do prądu bazy. Znając charakterystykę wejściową i wyjściową (podawane w katalogach), można wyznaczyć dwie pozostałe poprzez rzutowanie na oś odpowiednich punktów należących do znanych charakterystyk. Postać charakterystyki wejściowej i wyjściowej jest taka sama, jak charakterystyki złącza półprzewodnikowego polaryzowanego odpowiednio w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym.

9 Schematy zastępcze tranzystora bipolarnego w różnych układach pracy Schematy zastępcze tranzystora wykorzystuje się wówczas, gdy należy przeprowadzić analizę pracy danego układu elektronicznego. Wyboru właściwego schematu dokonuje się w zależności od wielkości występujących sygnałów. Poniżej przedstawione zostały schematy zastępcze tranzystorów dla parametrów małosygnałowych, w różnych układach pracy. W układzie WE (OE): W układzie WB (OB): W układzie WK (OC):

10