TRANZYSTORY - PORÓWNANIE WYKŁAD 15 SMK

TRANZYSTORY - PORÓWNANIE WYKŁAD 15 SMK Na pdstw.: W. Marciniak, WNT 1987: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, Z. Nosal, J. Baranowski, Układy elektroniczne, PWN 2003 7. PORÓWNANIE TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH I POLOWYCH - konstrukcja TB: (E,B,C) asymetryczna, TP: S, G, D (symetryczna), - sterowanie prądowe w tranzystorach bipolarnych, - sterowanie napięciowe w tranzystorach polowych, - transkonduktancja tranzystora bipolarnego (nie zależy od parametrów jego struktury) jest kilkaset razy większa niż dla tranzystora polowego: g m =I E / T (1000 ma/v); g m =2I D / U GS -U T (5 ma/v) (zależy od rozmiarów geometrycznych struktury, przenikalności elektrycznej warstwy dielektryka i ruchliwości nośników) - napięcie nasycenia ograniczające obszar pracy z lewej strony jest kilkanaście razy mniejsze w tranzystorach bipolarnych (0.1V, kilka V) - napięcie maksymalne ograniczające obszar pracy z prawej strony (2kV tr. bip., kilkaset V tr. pol.) - porównanie TB i TP możliwe przy jednakowych wartościach maksymalnych prądów (I Cmax ~I Dmax ) Zalety tranzystorów polowych: - bardzo duża impedancja wejściowa - małe szumy (PNFET) - kwadratowy przebieg charakterystyki przejściowej I D (U GS ) - możliwość stosowania tranzystora jako obciążenie rezystancyjne oraz rezystor sterowany (MIS) 1

- zastosowania analogowe układy scalone JFET (PNFET) - zastosowania cyfrowe układy scalone IGNFET 1. Definicja 8. PUNKT PRACY TRANZYSTORA Punkt położony na jego charakterystyce napięciowo-prądowej lub w polu rodziny charakterystyk; określa się wartością prądu i napięcia w odniesieniu do określonej rodziny charakterystyk. Zwykle dotyczy składowych stałych, ale używa się tez pojęcia chwilowy punkt pracy. Zadanie konstruktora wybór korzystnych warunków zasilania elementów aktywnych oraz zaprojektowanie obwodów zasilania, umożliwiających uzyskanie założonych punktów pracy i utrzymanie ich w różnych warunkach (zmiany temperatury, wymiana elementów). Parametry tranzystorów bardzo silnie zależą od punktu pracy. Uwzględnienie wszystkich możliwych parametrów i ich związków z punktem pracy jest niemożliwe. 2

We wzmacniaczach małych sygnałów: dla małych częstotliwości: h 11 ~K 1 /I C, h 12 ~K 2 +K 3 /I C, h 21 =const(i C ), h 22 =K 4 I C +K 5 dla dużych częstotliwości wartość współczynnika stabilności Optymalny punkt pracy tranzystora w układzie elektronicznym zależy od funkcji, jaką spełnia ten układ (np. I D optymalne jest inne dla wzmacniacza pasmowego (małe I D ), wzmacniacza selektywnego (duże I D ), czy wzmacniacza różnicowego (I D ~0.6A)). - we wzmacniaczu małej częstotliwości K u =g m *R D ~A/SQR(I D ) - we wzmacniaczu rezonansowym korzystna jest praca przy dużym prądzie drenu (duże g m ) 3

- we wzmacniaczu różnicowym liczy się stałość prądu 2. Wybór punktu pracy tranzystorów w typowych zastosowaniach Jest najczęściej kompromisem między maksymalnym wzmocnieniem a minimalnym współczynnikiem szumów. Gdy punkt pracy zostanie dobrany celowe jest zapewnienie jego stałości przy zmianach temperatury, napięć zasilających, wymianie elementów. Co się dzieje, gdy punkt pracy nie będzie dostatecznie stały? 4

Punkt pracy: - musi być bezpieczny dla elementu granice wartości mocy, prądów i napięć nie mogą być przekroczone; - powinien zapewnić uzyskanie założonych parametrów układu; - powinien być na tyle stabilny, aby przy zmianach warunków zewnętrznych (T, U) zapewnić funkcjonowanie układu zgodne z wymaganiami; - musi być realizowany przy wybranych źródłach zasilania układu. Dla tranzystora bipolarnego, którego schemat układu zasilania pokazuje rysunek, położenie punktu pracy, Q, jest jednoznacznie określone przez charakterystyki tranzystora oraz wartości napięcia zasilania U CC i rezystancji R B i R C. Układ opisują równania Kirchhoffa: UCC IC RC UCE; UCC I BRB U BE, które można przedstawić graficznie (Rys. 3.6) Przy zmianie prądu bazy I B punkt Q przesuwa się w polu charakterystyk I C (U CE ) po linii prostej o nachyleniu zależnym od R C. Mając dane I C, U CE można policzyć I B, U BE oraz R C i R B. 5

W układach analogowych małej mocy najczęściej stosowane są tranzystory polowe FET z kanałem wbudowanym. Układ zasilania pokazuje rys. 3.10. Równania opisujące obwód są: U U I ( R R ); U I R DS DD D s D GS D s U DS =U DD -I D (R S +R D ) U GS =-I D R S Jeżeli dane są U DD, R D, R S, punkt pracy można wyznaczyć graficznie. 6

ELEMENTY PRZEŁĄCZNIKOWE Stany przełącznika pp: blokowanie (bardzo duża rezystancja elementu klucz otwarty), przewodzenie (bardzo mała rezystancja klucz zwarty). Tranzystor bipolarny przełączany ze stanu odcięcia do nasycenia lub tranzystor polowy przełączany ze stanu zatkania do przewodzenia. 1. Tranzystor jednozłączowy (UJT unijunction transistor) dioda dwubazowa trójkońcówkowy przyrząd przełączający, działający na zasadzie modulacji konduktywności pp, w którym przełączanie ze stanu nieprzewodzenia do stanu przewodzenia występuje dla pewnej krytycznej wartości napięcia napięcia przełączenia (regulacja niezależnym źródłem napięcia polaryzacji). a). Budowa i zasada działania Struktura fizyczna tranzystora rys. 11.2a belka półprzewodnika typu n wyposażona w kontakty omowe na obu końcach (bazy, B 1 i B 2 ) i zawierająca złącze p-n. Niewielki obszar typu p emiter. Odległość między bazą B 1 a emiterem 0.5...0.7 odległości między bazami. Symbole graficzne tranzystorów jednozłączowych rys. 11.2b. Struktura planarna tranzystora z emiterem typu p rys. 11.2c. Rys. 11.3a podstawowy układ włączania tranzystora jednozłączowego. Złącze emiter-b 1 polaryzowane jest w kierunku przewodzenia ze źródła U EE (wartość prądu ogranicza R E ). Obwód B 1 -B 2 zasilany jest ze źródła U BB (biegun dodatni do B 2 ). Podstawowa charakterystyka zależność prądu I E od napięcia emiter-b 1 (U E ) rys. 11.4. 7

Gdy U BB =0 (bazy zwarte) I E (U E ) typowa charakterystyka złącza p-n (krzywa 1). Gdy U BB 0 schemat zastępczy z rys. 11.3b. Pod wpływem napięcia U BB w obwodzie B 2 -B 1 płynie prąd I B, który daje spadek napięcia na rezystorze r B1 U E' I BrB1 U BBrB1 /( rb 1 rb 2) U BB ; rb 1 /( rb 1 rb 2) wew. wsp. podzialu ~0.6 Napięcie U E polaryzuje dodatnio katodę diody D, która może przewodzić, gdy napięcie anody: U E U E' B ( B 0.5...0.7 V dla Si). Dla U E <U E + B przez diodę D spolaryzowaną zaporowo płynie bardzo mały prąd wsteczny. Gdy U E >U E + B, przez diodę zaczyna płynąć duży prąd przewodzenia. Gdyby r B1 było stałe, dalszy wzrost U E powodowałby wzrost I E zgodnie z krzywą 2, jednak rezystor r B1 zmienia wartość w efekcie zjawiska modulacji konduktywności. Konduktywność pp typu n: q n p ) dla I 0; q( n p) dla I 0 0 ( n 0 p 0 E 0 n p E Dodatkowa koncentracja dziur wstrzykiwana z emitera p podnosi również koncentrację elektronów, n, co prowadzi do wzrostu konduktywności (r B1 maleje). Im większy I E tym mniejsze r B1. Spadek r B1 zmniejsza i napięcie U E. Rośnie różnica U E -U E, czyli prąd I E, a większy prąd I E to mniejsze r B1 itd. (odcinek charakterystyki o ujemnej rezystancji przyrostowej krzywa 3): U E U BBrB1 ( I E ) /[ rb 2 rb 1( I E )] I ErB1 ( I E ) B Teoretycznie najmniejsza wartość napięcia U E przy przełączeniu tranzystora ze stanu nieprzewodzenia do przewodzenia U E ~ B (U E ~1..3 V). b). Podstawowe parametry Dopuszczalne parametry graniczne: moc rozproszona P D, maksymalny prąd emitera I E, maksymalne napięcie wsteczne złącza U E-B2, maksymalne napięcie międzybazowe U B2B1, zakres temperatur otoczenia T a. Parametry charakterystyczne: wewnętrzny współczynnik blokowania (U BB ), rezystancja międzybazowa r BB (U BB =const, I E =0), napięcie nasycenia U Esat napięcie U EB1 przy pracy w stanie przewodzenia (U BB =const, I Emax ), prąd w punkcie szczytu I p, prąd w punkcie doliny I V. Zastosowania do budowy prostych układów astabilnych, np. generator relaksacyjny obwody sterowania tyrystorów. 8

2. Tyrystory Podstawa klasyfikacji liczba końcówek oraz przebieg charakterystyki napięciowoprądowej w trzeciej ćwiartce: - stan zaporowy w III ćwiartce (praca jednokierunkowa z możliwością przełączania tylko w I ćwiartce) - przełączanie zarówno w I jak i w III ćwiartce (działanie dwukierunkowe). Rodzaje tyrystorów: - dynistor jednokierunkowy element dwukońcówkowy, - tyrystor triodowy jednokierunkowy element trójkońcówkowy, - diak dwukierunkowy element dwukońcówkowy, - triak dwukierunkowy element trójkońcówkowy. 9

Najbardziej rozpowszechniony triodowy (pp zawór sterowany) tyrystor. a). Tyrystory o działaniu jednokierunkowym Mają strukturę czterowarstwową (trójzłączową) p-n-p-n. 10

Struktura p-n-p-n połączenie dwóch tranzystorów p-n-p i n-p-n. P 1 emiter tr. p-n-p, N 1 baza tr. p-n-p i jednocześnie kolektor tr. n-p-n, P 2 kolektor tr. p-n-p i jednocześnie baza tr. n-p-n, N 2 emiter tr. n-p-n. Złącza j 1 i j 3 złącza E-B, j 2 złącze kolektorowe. Zakresy pracy tranzystora: zaporowy, blokowania, przewodzenia. - stan zaporowy przy polaryzacji anody napięciem ujemnym względem katody; j 1 i j 3 spolaryzowane zaporowo, j 2 w kierunku przewodzenia. Prawie całe napięcie wewnętrzne odkłada się na złączu j 1, warstwa zaporowa tego złącza rozszerza się w stronę słabo domieszkowanego obszaru N 1. Prąd płynący przez tyrystor = mały prąd wsteczny złączy j 1 i j 3 => dioda. - stan blokowania przy polaryzacji anody napięciem dodatnim względem katody, gdy suma współczynników wzmocnienia prądowego tranzystorów T 1 i T 2, ( 1 + 2 ) <1. Złącza j 1 i j 3 spolaryzowane w kierunku przewodzenia, j 2 w kierunku zaporowym. Z obu emiterów nośniki wstrzykiwane są do baz. Prąd w obwodzie zewnętrznym równy jest sumie prądów składowych płynących przez j 2 : I I I I /[1 ( )] ( dla 0.8, I 5I A K, A g 1 2 1 2 A W stanie blokowania przez tyrystor płynie mały prąd anodowy. Przy 1 2 1, prąd anodowy, tyrystor pracuje w stanie przewodzenia. - stan przewodzenia liczby elektronów i dziur dostarczane do każdej z baz nie równoważą się w obu bazach akumulują się ładunki. Elektrony w N 1 równoważą dodatni ładunek centrów donorowych w warstwie zaporowej złącza j 2, dziury w P 2 równoważą ujemny ładunek centrów akceptorowych w warstwie zaporowej tego złącza. Szerokość warstwy zaporowej maleje, aż złącze j 2 zostaje spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Nadmiarowe ładunki w N 1 i P 2 zwiększają również napięcia polaryzujące złącza j 1 i j 3 w kierunku przewodzenia. Rosną strumienie nośników wstrzykiwane przez oba emitery rośnie prąd anodowy i spadek napięcia na rezystorze R L. Maleje, więc napięcie na tyrystorze, rośnie prąd, napięcie przenosi się na rezystor R L ( 1 2 =1). W stanie przewodzenia spadek napięcia na tyrystorze = suma napięć na trzech złączach spolaryzowanych w kierunkach przewodzenia (1 V, 1 V, 1 V). Środkowe złącze ma przeciwną biegunowość, więc suma = 2 V. g 11

Współczynnik wzmocnienia prądowego rośnie ze wzrostem prądu emitera (rośnie ei b ) Przełączanie ze stanu blokowania do przewodzenia następuje wówczas, gdy wskutek jakiejś przyczyny wzrośnie prąd anodowy, co spowoduje wzrost 1 2 do jedności. - W tranzystorze dwukońcówkowym = powielanie lawinowe nośników w warstwie zaporowej złącza j 2 przy odpowiednio dużym U AK ; liczba nośników wychodzących z j 2 >od liczby nośników wchodzących, 12

I A MI g /[1 M ( )]; 1 2 M [1 ( U AK / U Pr zelaczenie, U AK dla M ( 1 2 ) 1 = wzrost prądu I g ze wzrostem temperatury pod wpływem oświetlenia lub promieniowania, I g I A = przepływ prądu pojemnościowego przy gwałtownej zmianie napięcia anoda-katoda; polega na ładowaniu pojemności C j złącza j 2, co oznacza chwilowy przepływ dużego prądu anodowego: i A =C j *du AK /dt i prowadzi do spełnienia warunku 1 2 =1. Powrót do stanu zablokowania następuje, gdy prąd anodowy zmaleje poniżej wartości krytycznej (prąd trzymania), 1 2 <1. p ) ] ; n 1 - W tranzystorze trójkońcówkowym (anoda, katoda, bramka): U p napiecie przebicia Ponieważ: I I I wiec I M( I I ) /[1 M( )] K A G; A g 2 G 1 2 Oprócz trzech w/w sposobów przełączania w tym tranzystorze istnieje jeszcze jeden = wzrost prądu anodowego wskutek przepływu prądu bramki. Dla różnych wartości tego prądu otrzymuje się rodzinę charakterystyk napięciowo-prądowych (rys. 11.14) b). Tyrystory dwukierunkowe (struktura pięciowarstwowa n-p-n-p-n superpozycja dwóch struktur czterowarstwowych p 1 n 1 p 2 n 2 oraz p 2 n 1 p 1 n 3 ) 13

Taki tyrystor ma symetryczne właściwości dla obu polaryzacji anoda-katoda. W triaku za pomocą sterowania prądem w obwodzie bramki można regulować wartość napięcia przełączania. Przełączanie do stanu przewodzenia dodatniego lub ujemnego odbywać się może przez wysterowanie obwodu bramki zarówno prądem dodatnim jak i ujemnym. c). Parametry tyrystorów - parametry graniczne = dopuszczalny prąd anodowy w stanie przewodzenia I A(AV), = graniczne napięcie anodowe w stanie zaporowym BU AK, = moc admisyjna lub opór cieplny, - parametry charakterystyczne = maksymalne napięcie przełączania U A0 mierzone przy zerowym prądzie bramki, = prąd trzymania I H (minimalna wartość prądu anodowego, przy której tranzystor nie wyłącza się ze stanu przewodzenia do stanu blokowania), = prąd przełączający bramki I GT dla określonego napięcia U AK - parametry dynamiczne = czas włączania (przedział czasu od czoła impulsu przełączającego bramki do chwili, gdy prąd anodowy osiągnie 90% wartości ostatecznej), = czas wyłączania (przedział czasu od chwili, gdy prąd anodowy zmaleje poniżej prądu trzymania do chwili, gdy bramka odzyska swoje właściwości sterujące (>t wł ). d). Zastosowania W układach zasilania w celu sterowania dużych mocy małymi. 14