Przyrządy półprzewodnikowe część 3 Dr inż. Bogusław Boratyński Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska 2011
Literatura i źródła rysunków G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publ., B.G. Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice-Hall, D. Bell, Fundamentals of Electric Circuits, Oxford Univ. Press, T. Mouthaan, Semiconductor Devices Explained, John Willey&Sons W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, A. Świt, J. Pułtorak, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT, B.G. Streetman, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT
Przyrządy wzmacniające Rozdział 4 Tranzystory bipolarne (1). Budowa struktury tranzystora, symbole, oznaczenia. Rodzaje pracy: wzmacniacz i przełącznik. Zasada pracy i wymagana polaryzacja złącz tranzystora. Charakterystyki stałoprądowe, układy pracy WE, WB, WC. Warunki polaryzacji punkt pracy, prosta pracy. Model stałoprądowy tranzystora. Parametry małosygnałowe model zastępczy dla m.cz. Analiza pracy wzmacniacza WE małych częstotliwości.
Konstrukcja i symbole tranzystora bipolarnego 3 obszary o odmiennym typie przewodności, trzy zaciski wyprowadzenia: E, B, C 2 złącza p-n: złącze Emiter-Baza, złącze Kolektor-Baza obszar Emtera najsilniej domieszkowany (p + lub n + ) obszar Bazy najkrótszy (najcieńszy) obszar Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Dioda jedno złącze p-n ; tranzystor 2 złącza p-n dioda p-n + następne złącze n-p Tranzystor bipolarny npn 2 złącza p-n połączone wspólnym obszarem typu-p Dodany obszar typu-n (domieszki donorowe) Tranzystor npn w monolitycznym krzemowym układzie scalonym Pojedyńczy (dyskretny) tranzystor npn Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp. C - wyprowadzenie obszaru kolektora od podłoża typu-n
+ Układ wzmacniacza i wzmocnienie napięciowe. Czwórnik - schemat zastępczy. Tranzystor jako czwórnik załóżmy, że: - wewn. wzmocnienie napięciowe E wspólny zacisk dla wejścia i wyjścia więc: OE - układ wspólnego emitera Źródła niezależne IS1 VS2 Sygnał wejściowy Sygnał wyjściowy obciążenie wzmocnienie model zastępczy tranzystora Symbole USA Źródła zależne (sterowane) Symbole europejskie V + VCVS1 I CCCS2 - - wzmocnienie napięciowe tranzystora - wzmocnienie prądowe tranzystora Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.
Układ przełącznika (switch) Tranzystor - przełącznik sterowany prądem lub napięciem; przykład: sterownik LED (LED driver) WYŁ. ZAŁ. Sygnał wej. napięciowy: niski - wysoki High Low i Tranzystor: ZAŁ. - WYŁ. Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp. Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Tryb i układ pracy polaryzacja złącz tranzystora p-n-p n-p-n V CE CE V BE układ wspólna baza - WB Praca aktywna (wzmacniacz) Polaryzacja złącz: E-B przewodz., C-B zaporowa Nasycenie (przełącznik - ZAŁ.) Polaryzacja złącz: E-B przewodz., C-B przewodz. Odcięcie (przełącznik WYŁ.) Polaryzacja złącz: E-B zaporowa, C-B zaporowa układ wspólny emiter - WE Praca aktywna stałe wzmocnienie prądowe dla wzmacnianych sygnałów dc i ac Relacja prądów: I C + I E + I B =0 (I prawo Kirchhoffa) mały I B, duży I C I E Wzmocnienie prądowe: Wzmocnienie prądowe dla układu WB Wzmocnienie prądowe dla układu WE Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Praca aktywna rozpływ prądów w tranzystorze Praca aktywna polaryzacja złącz: E-B przewodzenia C-B zaporowo Przykład: tranzystor p-n-p Prąd dyfuzji dziur (elektronów w tr. npn) w Bazie (W B - grubość bazy) z Emitera do Kolektora jest odpowiedzialny za wzmocnienie tranz. 1 0.995 elektrony dziury [obszary zubożone złącz] I C I E Rekombinacja w Bazie: - straty nośników, - spadek wzmocnienia Analiza pracy tranzystora obejmuje zagadnienia: Prądy zacisków tranz. Prądy nośników Prądy dryftu i dyfuzji analiza układowa analiza przyrządu bipolarnego mechanizmy fizyczne 1 gdy: W B -mała I Ep >>I En Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Praca aktywna polaryzacja zacisków tranzystora p-n-p n-p-n Praca aktywna polaryzacja złącz: E-B przewodz., C-B zaporowo Wzmocnienie układu wspólnego emitera, WE: I C + I E + I B =0 Wzmocnienie układu wspólnej bazy, WB: = /(1- ) = 0.995/(1-0.995) = 0.995/0.005 200» 1 p-n-p 1 0.995 n-p-n
Charakterystyki I-U tranzystora w układzie WE Charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego w układzie WE: I C U CE dla ustalonego I B (parametr) Nasycenie I B =const. prąd bazy jest parametrem dla rodziny charakterystyk wyjściowych tranzystora W zakresie pracy aktywnej wzmocnienie prądowe tranzystora niewiele się zmienia ~ const. Aktywny Odcięcie I B = 0 I C = I B W zakresie nasycenie to nie jest prawdą. P=U I czyli I C =P/U CE Maks. moc strat cieplnych (hiperbola mocy) W zakresie odcięcia I C = I CE0 dla I B = 0 b. niewielki prąd (prąd zerowy tranzystora)
Ograniczenia polaryzacji tranzystora Limit prądu, napięcia i mocy tranzystora: - dopuszczalne napięcie przebicie złącza CB lub przebicie skrośne bazy (punch-through) - dopuszczalny prąd kolektora - efekty termiczne, wytrzymałość materiałów - dopuszczalna moc - rozpraszanie ciepła ( P = IU ) - efekty termiczne Schematyczne charakterystyki wyjściowe: układ WB układ WE Q-point WB - napięcie przebicia BV CBO BV CBO >> BV CEO (Breakdown Voltage) WE - napięcie przebicia BV CEO typowe wartości: 50 V 100 V (ale także 800 V - tranzystory wysoko-napięciowe) Source: B.C.Streetman Solid State Electronic Devices, Prentice Hall.
Parametry katalogowe tranzystora Obudowa (case) Układ wyprowadzeń do druku (pad layout) BC - Krzemowy tranzystor małej częstotliwości, małej mocy Oznaczenia rodzaj półprzewodnika: A - german B - krzem C - inny: GaAs, GaN rodzaj tranzystora: BC m.cz., mała moc BD - m.cz., duża moc BF w.cz., mała moc BL - w.cz., duża moc BS impulsowy BU wysokonapięciowy Stany Zjedn.: 2Nxxxx
Parametry katalogowe tranzystora Parametry dopuszczalne (elektryczne i cieplne) Ważne: dla układu WB dla układu WE
Parametry katalogowe tranzystora BD - Krzemowy tranzystor mocy, m.cz. z radiatorem
Punkt pracy tranzystora (elementu nieliniowego) - dla przypomnienia - układ z diodą (element nieliniowy) Koncepcja prostej pracy Znajdowanie punktu pracy (Q point ) diody Położenie punktu pracy wartości napięcia i prądu diody - znajdujemy metodą graficzną. z I prawa Kirchhoffa równanie oczkowe: V T = R T i D + v D i D piszemy równanie prostej: i D = f(v D ) i D = -(1/ R T ) v D + V T /R T Dana jest też charakterystyka diody: i D = f(v D ) Punkt pracy Q znajdujemy z przecięcia wykresów (rozwiązanie dwóch równań): i DQ = 21mA, v DQ = 1.0 V v D Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Wyznaczanie punktu pracy tranzystora Podstawowy układ wzmacniacza (WE) Charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego w układzie, Wspólnego Emitera: I C U CE dla I B = const. + prosta pracy U CC /R L Nasycenie Aktywny Q-point U CC = R L I C + U CE (II prawo Kirchhoffa) I C = + U CE /R L U CC /R L I C _ + II I Odcięcie =U BE I B =U CE U CC Q-point: I C = 48mA, U CE =4V, I B = 0,3mA (punkt pracy, punkt polaryzacji stało prądowej, ang.: quiescent point, dc bias point)
Charakterystyki I-U tranzystora w układzie WE Charakterystyki wejściowe tranzystora bipolarnego w układzie Wspólnego Emitera: U BE - I B dla U CE = const. (parametr) napięciowy sygnał wej. v be Charakterystyka złącza p-n (E-B) spolaryzowanego w kier. przewodzenia Prądowy sygnał wej. i b Wykres odwrócony
Charakterystyki wyjściowe WE, analiza sygnałów zmiennych Wzmacnianie sygnału w punkcie pracy [Q] - punkt pracy przemieszcza się po prostej pracy zgodnie ze zmianą amplitudy sygnału zmiennego. i c, i b, v ce sygnały zmienne prądowy sygnał wejściowy i b i B i c prądowy sygnał wyjsciowy napięciowy sygnał wyjściowy v ce sygnał wyjściowy i c = i b Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill
Charakterystyki I-U tranzystora w układzie WE Charakterystyki przejściowe (wzmocnieniowe) tranzystora bipolarnego I C I B dla U CE = const. (parametr) Nachylenie wyznacza wzmocnienie prądowe Wykres Gummela lg(i) - U EB (wzmocn. prądowe ) Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.
Charakterystyki I-U tranzystora w układzie WE Wykres Gummela The Gummel plot (current gain ) Wysoki poziom wstrzykiwania nośników, wpływ rezyst. szeregowej I B = I Bo exp (qu EB /kt) I C = I B Jednakowe nachylenie wykresów I B, I C =f(u EB ) wyznacza zakres stałego wzmocnienia wpływ rekombinacji - generacji Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp.
Charakterystyki wyjściowe dla układów WE i WB Porównanie charakterystyk wyjściowych dla układów wspólnej bazy i wspólnego emitera I E - param. Charakt. wejściowa Z poprzednich rozważań wynika: I E - V BE I E - V BE I E - V BE I B - param. jeśli» 1 I E I C jest to zakres pracy aktywnej tranzystora V CE V CB V CE V CE = V CB + V BE (II prawo Kirchhoffa) WB WE
Model zastępczy tranzystora bipolarnego (dc) Model Ebersa-Molla tranzystora, ważny dla dużych sygnałów i prądu stałego, bazuje na równaniach Shockleya opisujących zależnoość I-U obu złącz tranzystora p Pol. przewodz. n Pol. zaporowa p F oznacza wzmocnienie prądowe dla układu WB Ogólny przypadek: Układ WB (pnp) Praca aktywna R oznacza wzmocnienie prądowe dla układu WB dla polaryzacji odwrotnej: Zł. E-B k. zaporowy zł. C-B k. przewodz. Source: R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publishing Comp. R «F
Model zastępczy małosygnałowy (ac) tranzystora Model zastępczy tranzystora układ czwórnika h Konfiguracja układu pracy tranzystora bipolarnego: I 1, i 1 I 2, i 2 [ h ij ] U 1, u 1 U 2, u 2 WB WE Zależności stałoprądowe: Charakterystyki: U 1 = f(i 1 ) dla U 2 = parametr wejściowa I 2 = f(u 2 ) dla I 1 = parametr wyjściowa I 2 = f(i 1 ) dla U 2 = parametr przejściowa U 1 = f(u 2 ) dla I 1 = parametr oddziaływania wstecznego Zależności zmiennoprądowe: WC u 1 = h 11 i 1 + h 12 u 2 i 2 = h 21 i 1 + h 22 u 2 u, i - wartości małych sygnałów zmiennych h ij elementy (parametry) czwórnika
Model zastępczy małosygnałowy (ac) tranzystora Model zastępczy dla małych sygnałów zmiennych [ h ij ] elementy modelu (hybrydowe) ważny dla małych częstotliwości, f 100kHz - nie zawiera pojemności (zespolonych impedancji) - w tym zakresie f, pojemności wewnętrzne tranzystora (rząd pf) stanowią b. dużą admitancję dla sygnału np.: 1/wC = Z c [ ] w= 2pf f=100khz, C=10pF, Z = 160 k dla układu WE [ h ije ], ( dla WB [h ijb ] ) wartości zmiennoprądowe (małosygnałowe) prądów i napięć dla WE: I 1 = i B = ΔI B U 1 = u BE = ΔU BE I 2 = i C = ΔI C U 2 = u CE =ΔU CE I 1 mały sygnał zmienny, tzn.: u BE = ΔU BE = U M sin ωt amplituda U M 25mV (kt/q) zmiana wartości stałoprądowej h 11e h 21 e h du di di di di BE B C B U I I I C B I BE B r C C 22e duce UCE h h ij elementy (parametry) rzeczywiste 12e du du BE U U CE ma niewielkie znaczenie BE CE we 1 r wy Rezystancja wejściowa [ ] Wzmocnienie prądowe Konduktancja wyjściowa [S] Wsp. oddz. wstecznego
Model zastępczy małosygnałowy (ac) tranzystora Parametry małosygnałowe analiza graficzna Typowy punkt pracy wzmacniacza WE na ch. wejściowych i wyjściowych nachylenie charakterystyki pochodna - w punkcie pracy Q (Q-point) Q-point Q-point h 11e du di BE B U I BE B r we h di I C C 22e duce UCE 1 r wy Q-point (I B =const., U CE =const.) Q-point (I C =const., U CE =const.)
Parametry katalogowe czwórnika h tranzystora Parametry małosygnałowe h ij tranzystora BC846 (układ WE) h ie =h 11E h oe = h 22e h fe =h 21e Zależność temperaturowa h FE =h 21E = β I C - prąd polaryzacji (pkt. pracy)
Schemat zastępczy małosygnałowy wzmacniacza WE Schemat ideowy prostego wzmacniacza w układzie WE obejmuje: tranzystor, źródło zasilania, rezystory ustalające stałoprądowy punkt pracy. - Małosygnałowy schemat zastępczy tego wzmacniacza słuszny dla małych częstotliwości sygnału tranzystor R L rezystor kolektorowy, lub rezystor obciążenia (Load) Algorytm przekształcenia dc ac: 1. Tranzystor jest zastąpiony przez odpowiedni model małosygnałowy, np.: czwórnik [h ij ]. 2. Zasilacz napięciowy reprezentuje dużą pojemność dla sygnałów zmiennych. Dlatego jest zwarty do masy.
Schemat zastępczy małosygnałowy wzmacniacza WE Wzmocnienie napięciowe układu wzmacniacza WE: U 2 A V U1 U I1 Ib h 1 11e Małosygnałowy schemat zastępczy tego wzmacniacza słuszny dla małych częstotliwości sygnału U2 h21 e I b R L if 1/ h 22e R L A V h h 21e 11e R L W ogólnym przypadku: AV h21 r r wy we A V R R wy we dla wzmacniacz WE» 1 Wzmocnienie mocy sygnału: A P A I A V Rwy 2 R we R R wy we A V ponieważ R R wy we wy R we dla wzmacniacza WB 1 R więc zwykle A v >>1 oraz A P >>1