Elektronika i energoelektronika

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Elektronika i energoelektronika"

Feliks Maciejewski
6 lat temu
Przeglądów:

1 Wydzia ł Elektrotechniki i Informatyki Politechnika Lubelska Elektronika i energoelektronika wyk ł ad 4 TRANZYSTOR BIPOLARNY (cz. 1) Lublin, kwiecie ń 2008

2 Tranzystor bipolarny

3 Dwa g ł ówne zastosowania tranzystorów: prze łą czanie i wzmacnianie Przełą cznik (Elektronika cyfrowa) Wzmacniacz (Elektronika analogowa) TRANZYSTOR TRANZYSTOR + V - + V - np. mikroprocesor, pami ęć np. czujnik, radio 3

4 Tranzystor Trójko ń cówkowy pó ł przewodnikowy element elektroniczny, posiadaj ą cy zdolno ść wzmacniania sygna ł u elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "TRANSfer resistor", który oznacza element transformuj ą cy rezystancj ę. Wyró ż nia si ę dwie g ł ówne grupy tranzystorów, ró ż ni ą ce si ę zasadniczo zasad ą dzia ł ania: Tranzystory bipolarne, w których pr ą d wyj ś ciowy jest funkcj ą pr ą du wej ś ciowego (sterowanie pr ą dowe). Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których pr ą d wyj ś ciowy jest funkcj ą napi ę cia (sterowanie napi ę ciowe).

5 Grudzie ń 1947: Pierwszy tranzystor Wynalazcy tranzystora (Nobel 1956r): John Bardeen Walter Brattain William Shockley Pierwszy, germanowy tranzystor ostrzowy (Bell Laboratories)

6 Tranzystor jak kran bramka źródło źródło bramka OFF ON zlew zlew

7 Tranzystor bipolarny 2 złącza p-n p n p tranzystory bipolarne (BJT, HBT) lepsze emitery promieniowania lepsze detektory promieniowania BJT = bipolar junction transistor HBT = heterojunction bipolar transistor

Junction Transistor kontakt kolektora kontakt emitera SiO2

8 Tranzystor bipolarny w ukł. scalonym HBT: Heterojunction Bipolar Transistor BJT: Bipolar Junction Transistor kontakt kolektora kontakt emitera SiO2 warstwa zagrzebana podłoże kontakt bazy n+ N P P+ P + oznacza obszar silnie domieszkowany dyfuzja izolacji

9 Tranzystor bipolarny (BJT) NPN tranzystor NPN kolektor PNP tranzy zystor PNP kolektor n p baza p baza n n p Symbol graficzny emiter C Symbol graficzny emiter C B B BJT Bipolar Junction Transistor E E

10 Zasada dzia ł ania tranzystora

11 Zasada dzia ł ania tranzystora

12 Polaryzacja normalna Z łą cze Emiter-Baza spolaryzowane w kierunku przewodzenia Z łą cze Kolektor-Baza spolaryzowane w kierunku zaporowym dla tranzystora N-P-N oznacza to: U EB <O oraz U CB >O (U BE >O, U CE >O) dla tranzystora P-N-P oznacza to: U EB >O oraz U CB <O (U BE <O, U CE <O)

13 Polaryzacja normalna dla tranzystora npn potencja ł kolektora musi by ć wyższy od potencjału emitera, dla tranzystora pnp potencja ł kolektora musi by ć niższy od potencjału emitera, złącze baza-emiter musi by ć spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym, nie mog ą zosta ć przekroczone maksymalne wartości I, I, U, C B CE moc wydzielana na kolektorze I C U CE, temperatura pracy czy te ż napięcie U. BE

14 Zasada dzia ł ania tranzystora elektrony I E emiter baza kolektor I C W tranzystorze n-p-n p ł ynie g ł ównie pr ą d elektronowy, zatem - w pierwszym przybli ż eniu - przep ł yw dziur mo ż na zaniedba ć. Emiter - pierwsza warstwa, która przez z łą cze spolaryzowane w kierunku przewodzenia wstrzykuje no ś niki do bazy. Z cienkiej bazy jako no ś niki mniejszo ś ciowe odbierane s ą przez z łą cze spolaryzowane w kierunku zaporowym (do kolektora).

15 Unoszenie (dryft) n-si - V + E C E F E i -qv E V

16 Dyfuzja Prędko ść termiczna vth Rozkład prędkości w różnych kierunkach Dyfuzja no ś ników Dyfuzja w prawo X Brak dyfuzji w lewo Brak wypadkowego przep ł ywu elektronów (dziur) w obszarze o sta ł ej koncentracji Wypadkowy przep ł yw w prawo (ujemny gradient)

17 Transport ł adunków (pr ą d) Pr ę dko ść termiczna v th Kontroluje zarówno dyfuzj ę jak i unoszenie no ś ników w polu elektrycznym. Unoszenie elektronów Unoszenie dziur Dyfuzja elektronów Dyfuzja dziur Zale ż no ść Einsteina Ruchliwo ść i dyfuzyjno ść (wspó ł czynnik dyfuzji ) s ą zwi ą zane zale ż no ś ci ą : D D n p = kt n q µ = kt q µ p Całkowity prąd unoszenia Kierunek określa pole elektryczne Całkowity prąd dyfuzji Kierunek określa gradient koncentracji Ca ł kowity pr ą d zale ż y od pola elektrycznego i dyfuzji

18 Z łą cze p-n polaryzacja w kierunku zaporowym no ś niki mniejszo ś ciowe s ą unoszony w polu elektrycznym na drug ą stron ę warstwy zaporowej G R P N R G no ś niki wi ę kszo ś ciowe odbijaj ą si ę od bariery potencja ł u

19 Zasada dzia ł ania tranzystora I E =I B +I C W ca ł ym obszarze bazy istnieje zasada oboj ę tno ś ci elektrycznej. UPROSZCZONY PRZYK Ł AD: Do bazy wp ł ywa 100 elektronów z emitera - natychmiast (np s) ł adunki musz ą si ę zrównowa ż y ć - czyli np. 99 elektronów zostanie odebrane przez kolektor, a jeden zrekombinowany z dziur ą (dostarczon ą przez pr ą d bazy)

20 Uk ł ady po łą cze ń wspólny emiter OE emiter n + U CE U BE baza p WE OB WB OC kolektor n U EB U CB U EC U BC WC wspólna baza wspólny kolektor

21 Uk ł ady po łą cze ń

22 Wspó ł czynnik wzmocnienia pr ą dowego β Warto ść wzmocnienia beta wynosi nawet do kilkuset. α Dla wi ę kszo ś ci tranzystorów warto ść α zawiera si ę w granicach od 0,95 do 0,99, czyli praktycznie 1.

23 Wzmocnienia pr ą dowego jest to stosunek sygna ł u (pr ą du) wyj ś ciowego do wej ś ciowego Dla WB I C /I E = Dla WE I C /I B = Dla WC I E /I B = + 1 Wzmocnienie pr ą dowe jest ró ż ne w zale ż no ś ci m.in. od zastosowanego uk ł adu pracy, ALE... TRANZYSTOR DZIA Ł A ZAWSZE TAK SAMO!!!

24 Obszary pracy tranzystora N-P-N Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje si ę du ż ym wzmocnieniem pr ą dowym (kilkadziesi ą t-kilkuset). Stany nasycenia i zaporowy stosowane s ą w technice impulsowej, jak równie ż w uk ł adach cyfrowych. Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowanych, poniewa ż ze wzgl ę dów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje si ę wówczas gorszymi parametrami ni ż w stanie aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem pr ą dowym.

25 Obszary pracy tranzystora P-N-P U BC Polaryzacja normalna (forward) Odci ę cie (cut-off) Nasycenie (saturation) Polaryzacja odwrotna (reverse) U BE

26 Obszary pracy tranzystora N-P-N U BC Polaryzacja odwrotna (reverse) Nasycenie (saturation) Odci ę cie (cut-off) Polaryzacja normalna (forward) U BE

27 Charakterystyki statyczne tranzystora Rozró ż niamy cztery rodziny charakterystyk statycznych: - wej ś ciowa (U1 = f (I1), przy U2 = const), - przej ś ciowa (I2 = f (I1), przy U2 = const), - wyj ś ciowa (I2 = f (U2), przy I1 = const), - zwrotna (U1 = f (U2), przy I1 = const).

28 Charakterystyki statyczne tranzystora Rodzina charakterystyk statycznych tranzystora w uk ł adzie WE, w którym I = I 1 B, U 1 = U BE, I 2 = I C, U 2 = U CE CE.

29 Charakterystyki statyczne tranzystora nachylenie=g m Literatura anglosaska: U=V

30 Charakterystyki statyczne tranzystora

31 Efekt Early'ego

32 Punkt pracy

33 Punkt pracy Aby otrzyma ć wzmacnianie pe ł no okresowe nale ż y do wzmacnianego zmiennego pr ą du bazy doda ć sta ł y pr ą d bazy.

34 Punkt pracy

35 Punkt pracy

36 Punkt pracy

37 Punkt pracy

Parametry graniczne tranzystora Tranzystory, tak zreszt ą jak inne elementy elektroniczne, maj ą charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn.

38 Parametry graniczne tranzystora Tranzystory, tak zreszt ą jak inne elementy elektroniczne, maj ą charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora. Do takich w ł a ś nie parametrów nale żą : U EB0max - dopuszczalne napi ę cie wsteczne baza-emiter U CB0max - dopuszczalne napi ę cie wsteczne kolektor-baza U CE0max - maksymalne dopuszczalne napi ę cie kolektor-emiter I Cmax Cmax - maksymalny pr ą d kolektora I Bmax Bmax - maksymalny pr ą d bazy P strmax - maksymalna dopuszczalna moc strat

Pasmo wzmocnienia Pasmo wzmocnienia jest określone przez własnow asności tranzystora (jego wielkości pasożytnicze) oraz sposób jego współdzia działania ania z obwodem wzmacniacza.

39 Pasmo wzmocnienia Pasmo wzmocnienia jest określone przez własnow asności tranzystora (jego wielkości pasożytnicze) oraz sposób jego współdzia działania ania z obwodem wzmacniacza. Każdy rzeczywisty tranzystor charakteryzuje si ę różnymi wielkościami pasożytniczymi, z których najważniejsze niejsze to: rozproszona rezystancja bazy r bb oraz pojemności baza-emiter C be i baza-kolektor C bk 1 Pasmo wzmocnienia tranzystora jest ograniczone przez jego cz ę stotliwo ść graniczn ą ft ; powy ż ej tej cz ę stotliwo ś ci wspó ł czynnik wzmocnienia pr ą dowego jest mniejszy od jedno ś ci.

40 Schematy zast ę pcze tranzystora

41 Model Ebersa-Molla R R F F I E I C F R B U EB U CB

42 Model Ebersa-Molla Rzeczywisty tranzystor troszk ę różni się od modelu Shockleya (Ebersa-Molla) *prądów generacji-rekombinacji w warstwach zaporowych *efektu modulacji grubości bazy (efekt Early ego) *zjawisk zachodzących przy dużych prądach *rezystancji bazy wewnętrznej *rezystancji szeregowych Rozszerzony o te efekty model Ebersa-Molla to model Gummela-Poona

43 Tranzystor jako czwórnik + i 1 [y] v 1 v 2 [z] i 2 + _ [h] [s] _

44 Macierz hybrydowa (mieszana) u1 = h111 i + h12u2 i = h i + h u

45 Parametry mieszane u1 = h111 i + h12u2 i = h i + h u impedancja wej ś ciowa wzmocnienie pr ą dowe ( ) h 11 = u i 1 2 = 1u 0 oddzia ł ywanie wsteczne h 12 = u 1 u i 1 = 2 0 admitancja wyj ś ciowa

46 Parametry ma ł osygna ł owe - oznaczenia Parametry mieszane Parametry admitancyjne i=input; r=reverse; f=forward; o=output Indeks e oznacza układ połączenia wspólny emiter(we)

w kierunku odwrotnym wzd ł u ż linii prostej pracy tranzystora.

47 Tranzystor - prze łą cznik Prze łą czanie tranzystora polega na przej ś ciu chwilowego punktu pracy tranzystora ze stanu zatkania do stanu nasycenia, lub w kierunku odwrotnym wzd ł u ż linii prostej pracy tranzystora. Prze łą czanie tranzystora mo ż na uzyska ć pod wp ł ywem skokowej zmiany sygna ł u steruj ą cego.

48 Praca dynamiczna

49 Przebiegi czasowe rysunki z instrukcji do ćwicze ń lab.

Podobne dokumenty

Temat i cel wykładu. Tranzystory

Temat i cel wykładu. Tranzystory POLTECHNKA BAŁOSTOCKA Temat i cel wykładu WYDZAŁ ELEKTRYCZNY Tranzystory Celem wykładu jest przedstawienie: konstrukcji i działania tranzystora bipolarnego, punktu i zakresów pracy tranzystora, konfiguracji