TRAZYSTORY BPOLARE SMK WYKŁAD 9 a pdstw. W. Marciniak, WT 1987: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone 6. Zakresy pracy i układy włączania tranzystora bipolarnego Opis funkcjonalny zestaw równań wiążących napięcia i prądy na końcówkach elementu. Ogólne relacje pomiędzy potencjałami poszczególnych elektrod tranzystora: C > B > E dla tranzystora n-p-n C < B < E dla tranzystora p-n-p apięcie baza-emiter typowo (złącze p-n spolaryzowane w kier. Przewodzenia) 0.2-0.4 V dla Ge oraz 0.6-0.8 V dla Si. W wielu układach (impulsowych) tranzystor może pracować przy innych warunkach polaryzacji = cztery warianty polaryzacji = cztery zakresy pracy tranzystora: - złącze EB kier. przew. złącze BC kier. zaporowy...zakres aktywny normalny - złącze EB kier. przew. złącze BC kier. przew...zakres nasycenia - złącze EB kier. zapor. złącze BC kier. zapor...zakres zatkania - złącze EB kier. zapor. złącze BC kier. przew...zakres aktywny inwersyjny (emiter kolektorem, kolektor emiterem) 1
Konfiguracja tranzystora (baza jedną z końcówek wejściowych, kolektor jedną z końcówek wyjściowych): - wejście E,B, wyjście B,C układ ze wspólną bazą (WB) - wejście B,E, wyjście E,C układ ze wspólnym emiterem (WE) - wejście B,C, wyjście C,E układ ze wspólnym kolektorem (WC) Schemat działania tranzystora: Elektrony wstrzykiwane są z emitera do bazy... obowiązuje niezależnie od układu włączenia. Różnice charakterystyk i parametrów w poszczególnych układach włączenia są skutkiem różnych punktów widzenia. E = C + B, = C / E, = C / B WB: WP= C / E = WE: WP= C / B = WC: WP= E / B =( C + B )/ B = +1 Wzmocnienie prądowe zmienia się w zależności od układu włączenia od do +1 czyli od jedności do kilkuset. 7. Praca nieliniowa statyczna (modele, charakterystyki, parametry) 2
Opis tranzystorów: a) schematy zastępcze (dokładna analiza numeryczna), b) charakterystyki (uproszczona analiza graficzna), c) kilka podstawowych parametrów (proste obliczenia szacunkowe). Praca tranzystora: - nieliniowa (statyczna, dynamiczna) - liniowa (dla małych sygnałów małej i dużej częstotliwości). 7.1. Modele nieliniowe statyczne Tranzystor składa się z dwóch złączy połączonych szeregowo przeciwstawnie (n-p, p-n). ajprostszy model tranzystora połączenie dwóch diód (rys. 5.26a). Prądy płynące przez te diody związane są z napięciami: [exp( / ) 1]; [exp( / ) 1] de Es EB T dc Cs CB T Taki model ma sens, gdy wzajemne oddziaływanie złączy jest do pominięcia (polaryzacja złączy w kier. zaporowym zakres zatkania). Gdy tranzystor pracuje w zakresie normalnym, to przez złącze BC płynie nie tylko prąd wsteczny tego złącza, lecz również prąd nośników wstrzykiwanych przez złącze EB, czyli prąd de równolegle do diody BC (rys. 5.26b). W przypadku pracy tranzystora w zakresie nasycenia oraz inwersyjnym kolektor również wstrzykuje nośniki do bazy, które wpływają na wartość prądu płynącego w złączu EB (włączenie źródła DC równolegle do diody EB. Wzmocnienie inwersyjne w kierunku inwersyjnym << mniejsze niż w kierunku normalnym. Schemat zastępczy Ebers-Molla pokazany na rys. 5.26c jest słuszny dla wszystkich czterech zakresów pracy. Prądy płynące przez końcówki tranzystora są: B E C ; E Es[exp( EB ) 1] Cs[exp( CB ) 1]; (5.47; 5.48) C Cs[exp( CB ) 1] Es[exp( EB ) 1] lub (z rys. 5.26d): 3
E EO[exp( EB ) 1] C ; C CO[exp( CB 1] E; (5.49); 5.50) B E C ; EO ES (1 ); CO CS (1 ) W modelu Ebersa-Molla wszystkie zależności prądowo-napięciowe można wyznaczyć mając tylko cztery łatwe do zmierzenia parametry: Es, Cs,,. Ponieważ udowodnili oni, że Es = Cs, liczbę parametrów można zmniejszyć do trzech. Model Ebersa-Molla stosowany jest w dwóch wariantach: - zmienne niezależne prądy wstrzykiwane przez emiter i kolektor (model iniekcyjny) - zmienne niezależne prądy zbierane przez kolektor i emiter (model transportowy). E / ; C / ; Es[exp( EB ) 1]; Cs[exp( CE ) 1] Dokładność powyższego modelu uproszczonego można zwiększyć uwzględniając: - zależność współczynników, od prądu emitera i kolektora oraz od napięć polaryzacji obu złączy, - istnienie rezystancji szeregowych emitera, bazy i kolektora doprowadzeń i obszarów poza warstwami zaporowymi), - korekcję zależności wykładniczych przez wprowadzenie współczynnika m 1: [exp( / m ) 1] T 7.2. Charakterystyki statyczne. Stan statyczny (punkt pracy) tranzystora traktowanego jako czwórnik nieliniowy opisywany jest czterema wielkościami: prądem i napięciem wejściowym 1, 1 oraz prądem i napięciem wyjściowym 2, 2. Zmiana każdej z tych wielkości powoduje zmiany trzech pozostałych. stnieje możliwość wyboru dwóch zmiennych niezależnych i obserwacji ich wpływu na pozostałe dwie = równanie czwórnika (12). Praktyczne znaczenie mają 3 pary rówań: - impedancyjne: 1 =f( 1, 2 ); 2 =f( 1, 2 ); 4
- admitancyjne: 1 =f( 1, 2 ); 2 =f( 1, 2 ); - mieszane: 1 =f( 1, 2 ); 2 =f( 1, 2 ). ajbardziej dogodny zestaw równania mieszane. Charakterystyki statyczne związek wielkości zależnej i jednej z dwóch niezależnych przy stałej wartości drugiej wielkości niezależnej traktowanej jako parametr. - charakterystyki wejściowe 1 =f( 1 ) 2 =const, - charakterystyki zwrotne napięciowe 1 =f( 2 ) 1 =const, - charakterystyki przejściowe prądowe 2 =f( 1 ) 2 =const, - charakterystyki wyjściowe 2 =f( 2 ) 1 =const Dla każdej konfiguracji tranzystora WB, WE, WC) wielkości 1, 2, 1, 2 oznaczają zupełnie inne prądy i napięcia. a) Charakterystyki statyczne w układzie WB 1 = E, 1 = EB, 2 = C, 2 = CB. nteresują nas następujące rodziny charakterystyk: EB =f( E, CB ): EB =f( E ) CB wejściowa, EB =f( CB ) E zwrotna C =f( E, CB ): C =f( E ) CB przejściowa, C =f( CB ) E wyjściowa. Wszystkie rodziny charakterystyk pokazuje rys. 5.29. A. Charakterystyki wejściowe: EB ( E ) CB określane analitycznie z (5.47) zależność logarytmiczna E exp EB / T. T = kt/q. ie przechodzą przez zero (dla EB =0, E >0 przy CB 0) wpływ rezystancji rozproszeniowej bazy (prąd CBO powoduje spadek napięcia na rezystancji r bb, który polaryzuje złącze BB w kierunku przewodzenia i powoduje przepływ prądu E mimo EB =0): 5
Zmiany charakterystyk dla różnych wartości CB zjawisko modulacji efektywnej szerokości bazy zjawisko Early ego (silniejsze w tranzystorze z jednorodna bazą). Zmiany koncentracji nośników nadmiarowych w bazie tranzystora bezdryftowego dla różnych wartości napięcia baza-kolektor. Zmiana szerokości warstwy zaporowej B-C prowadzi do zmiany efektywnej szerokości bazy, co zmienia gradient koncentracji nośników, a więc prąd emitera. Wzrost napięcia CB powoduje zmniejszenie efektywnej szerokości bazy, rośnie prąd emitera. Ponadto większym wartościom napięcia CB odpowiadają mniejsze wartości napięcia EB. Zjawisko modulacji efektywnej szerokości bazy powoduje zmiany wielkości wejściowych ( E, EB ) wskutek zmiany napięcia wyjściowego ( CB ). To oddziaływanie 6
zwrotne związane jest z dyfuzyjnym charakterem transportu nośników w bazie. W tranzystorze dryftowym prawie nieobecne. B. Charakterystyki wyjściowe: C ( CB ) E analitycznie z (5.48). Jeżeli E >> CS ( CB <0) C nie zależy od CB. Dopiero w zakresie nasycenia ( CB >0) prąd C maleje w miarę wzrostu CB >0. - CB =0 zwarcie kolektora z bazą. ośniki wstrzykiwane z emitera mogą być odbierane przez kolektor, gdyż mimo CB =0 istnieje napięcie B w warstwie zaporowej B-C dlatego C 0. - C =0 złącze C-B spolaryzowane w kierunku przewodzenia; warstwa kolektorowa spełnia funkcję kolektora i emitera. Prąd C =0, gdy liczby nośników przechodzących przez warstwę B-C w obu kierunkach są jednakowe. Charakterystyka C ( CB ) ma niewielkie nachylenie dodatnie modulacja efektywnej szerokości bazy. CB, W B, b, dla E =const, C. 7
C. Charakterystyki przejściowe: C ( E ) CB analitycznie z (5.49). Przy CB <0 C =f( E ) funkcją liniową o nachyleniu. Parametr CB wpływa na nachylenie tej prostej w efekcie zjawiska modulacji efektywnej szerokości bazy. D. Charakterystyki zwrotne: EB ( CB ) E. Powinny być linią prosta równoległą do osi CB. Zmniejszanie się napięcia EB w miarę wzrostu CB przy stałym prądzie E w efekcie modulacji efektywnej szerokości bazy. b). Charakterystyki statyczne w układzie WE 1 = B, 1 = BE, 2 = C, 2 = CE Rodziny charakterystyk: BE =f( B, CE ): BE =f( B ) CE wejściowe, BE =f( CE ) B zwrotne, C =f( B, CE ): C =f( B ) CE przejściowa, C =f( CE ) B wyjściowe CE polaryzuje oba złącza E-B i B-C. Dotychczas napięcie polaryzujące w kierunku przewodzenia dodatnie, w kierunku zaporowym ujemne. Teraz przyjmujemy rzeczywiste znaki potencjałów bazy BE i kolektora CE względem potencjału emitera. Dla tranzystora 8
npn w zakresie normalnym BE i CE >0. Charakterystyki statyczne oblicza się z (5.47-5.50), uwzględniając: EB = BE ; CB = CE - BE. Do równań tych podstawia się: - EB (+) złącze E-B spolaryzowane w kierunku przewodzenia, - CB (-) CE > BE złącze B-C spolaryzowane w kierunku zaporowym, - CB (+) CE < BE złącze B-C spolaryzowane w kierunku przewodzenia. A. Charakterystyki wejściowe: BE ( B ) CE analitycznie odejmując (5.49) od (5.50). Ponieważ B = E /( +1) oraz = /(1- ), więc charakterystyka wejściowa w układzie WE ma taki sam logarytmiczny przebieg jak w układzie WB. Zmiany tej charakterystyki w funkcji CE są spowodowane modulacją efektywnej szerokości bazy. CE, W B (mniej nośników rekombinuje), B. Przy CE >0 charakterystyki nie przechodzą przez początek układu współrzędnych (dla B =0, BE >0) wskutek generacji par elektron-dziura, elektrony są usuwane przez złącze B- C, a dziury tworzą ładunek przestrzenny w bazie polaryzując nieznacznie złącze E-B w kierunku przewodzenia. B. Charakterystyki wyjściowe: C ( CB ) B w przybliżeniu wychodzą z początku układu współrzędnych. W rzeczywistości C =0 dla CE >0, a przy CE =0 płynie prąd C o przeciwnym do normalnego kierunku. Przy CE =0 oraz B >0 złącza E-B, B-C są spolaryzowane w kierunku przewodzenia (rys. 5.35). W miarę wzrostu napięcia CE tranzystor wychodzi ze stanu nasycenia, prąd C rośnie modulacja efektywnej szerokości bazy. C. Charakterystyka przejściowa: C =f( B ) CE w przybliżeniu liniowa. CE wpływa poprzez modulację efektywnej szerokości bazy. D. Charakterystyka zwrotna: oddziaływanie zwrotne w układzie WE silniejsze niż w układzie WB gdyż część napięcia CE polaryzuje złącze E-B. 7.3. Parametry statyczne Wielkości ograniczające dozwolony obszar pracy aktywnej tranzystora. Od dołu odcięcie, z lewej nasyceniem, z góry dopuszczalną mocą admisyjną, prądem maksymalnym, z prawej napięciem maksymalnym. Parametry statyczne: - moc admisyjna, P a maksymalna wartość iloczynu prądu przez napięcie stałe, przy którym tranzystor może pracować w sposób długotrwały, - prąd maksymalny C max ograniczenie wynikające ze zmian współczynnika wzmocnienia prądowego (, maleje dla dużych E ), - prąd zerowy granica między zakresem aktywnym, a odcięciem; dla WB CBO ( E =0), dla WE CEO ( B =0), - napięcie maksymalne te ograniczenia spowodowane są zjawiskiem przebicia, 9
- napięcie nasycenia CE sat dla układu WE - wyznacza granicę między obszarem aktywnym i nasycenia (polaryzacja obu złączy w kierunku przewodzenia), - współczynnik wzmocnienia prądowego ( ). ndeks trójliterowy (oznaczenie prądów i napięć w tranzystorze): pierwsze dwie litery oznaczają dwie końcówki, do których doprowadzone jest napięcie; druga litera oznacza końcówkę wspólną dla wejścia i wyjścia. Trzecia litera stan w jakim znajduje się trzecia końcówka w odniesieniu do końcówki wspólnej (S - zwarcie, O - rozwarcie, R - włączony rezystor). a). Prądy zerowe: CBO, CEO, CES, CER, EBO (przy pracy inwersyjnej). a rysunku 5.38 pokazano zależność C =f( C ) i jak widać: CEO > CER > CES > CBO. Rysunek 5.39 wyjaśnia sens fizyczny tych prądów. Prąd CBO prąd unoszenia nośników mniejszościowych typowy dla pracy złącza p-n w kierunku zaporowym (rys. 5.39a) 10
Prąd CEO mierzy się przy CE doprowadzonym między kolektor i emiter. Pewien spadek napięcia odkłada się na E-B w kierunku przewodzenia ( CE =10V, CB =9.8V, EB =0.2V). Przez złącze BC płynie prąd CBO oraz strumień nośników wstrzykniętych przez emiter (rys. 5.39b): CEO =( +1) CBO. Prąd CER < CEO gdyż rezystor R bocznikuje złącze E-B (maleje efekt wstrzykiwania nośników z emitera). 11
Prąd CES (zwarcie emitera z bazą) > CBO gdyż zwarcie to (z uwagi na rezystancję rozproszeniową bazy) nie jest idealne. b). apięcia maksymalne. - przebicie Zenera dotyczy złącza EB przy polaryzacji na końcówkach E,B, występuje w tranzystorach dryftowych p >6V, - skrośne dotyczy obszaru bazy przy polaryzacji na końcówkach E,C związane z modulacją efektywnej szerokości bazy: rozszerzanie się warstwy zaporowej B-C, - lawinowe dotyczy złącza BC przy polaryzacji na końcówkach B,C lub E,C (zależy od układu włączenia tranzystora; największe w układzie WB CBO max; najmniejsze w ukłądzie WE CEO max). WB: Ponieważ C =M( E + CBO ); M=[1-( CB / CBO max) n ]-1, M - wsp. powielenia, n=3...6. C gdy M czyli CB CBO max; CB max= CBO max. WE: CEO =M( CEO + CBO )=M CBO /(1- M) C gdy (1- M) 0, M 1/ (dla =0.99 wystarczy, aby M 1.01) dlatego CEO max< CBO max. apięcie przebicia CE max ( B >0)< CEO max gdyż w miarę wzrostu B rośnie C i, czyli przy mniejszej wartości M może być spełniony warunek M=1. Dla układu WE istotne może być też przebicie przy B<0: CER max, 0<R BE < ; CES max, BE =0 (R BE =0) CEX max, obwód baza emiter z włączonym źródłem polaryzacji zaporowej. Ponieważ skok napięcia od np. CEX max do CEO max jest bardzo szybki (1ns) pracę tranzystora w obszarze przebicia lawinowego wykorzystuje się do generacji impulsów o bardzo stromych zboczach tranzystory lawinowe. Przebicie wtórne nierównomierny rozkład gęstości prądu emitera i lokalne zachwianie równowagi cieplnej. 12
c). apięcie nasycenia. Wielkość ograniczająca minimalne wartości CE przy pracy tranzystora w obszarze aktywnym normalnym. W układzie WB przejście z zakresu aktywnego do zakresu nasycenia odbywa się przy CB =0. W układzie WE CE sat takie napięcie CE, przy którym CB =0 ( CE sat= BE ). Parabola (linia przerywana) łączy punkty pracy spełniające warunek CB =0 i wyznacza granicę między obszarami liniowych i nieliniowych zmian prądu kolektora w funkcji CE. W miarę wzrostu prądu punkt pracy przesuwa się po prostej obciążenia. Punkt A bardzo mało zmienia się przy dalszym wzroście prądu bazy. Prąd C1 odpowiadający punktowi A maksymalny prąd w obwodzie, C1 = CC / RL. apięcie CE sat jest najmniejszym napięciem C- E dla tranzystora w układzie WE. CE sat jest napięciem CE zmierzonym przy określonym prądzie kolektora i prądzie bazy spełniającym warunek: B > C /. 8. Praca nieliniowa dynamiczna (własności tranzystora przy sterowaniu dużym sygnałem). Tranzystor elementem inercyjnym skokowy przyrost prądu bazy powoduje wzrost prądu kolektora dopiero po pewnym czasie. Powód inercyjności zjawisko gromadzenia ładunków w różnych jego obszarach (wartości ładunków zależą od punktu pracy). Każda szybka zmiana sygnału sterującego prowadzi do procesu nieustalonego przepływ prądów ładowania lub rozładowania określonych obszarów tranzystora (wartości tych prądów zależą od przyrostów ładunków i od stałych czasowych procesów przeładowania). Rys. 5.44 ilustruje rozkłady ładunków nieskompensowanych w tranzystorze z jednorodna bazą o budowie symetrycznej. Rys. 5.44a stan neutralny ( EB = CB =0), Q je ładunki warstwy zaporowej emiter-baza, Q jc baza-kolektor: Q - je +Q + je =0, Q - jc +Q + jc =0. Rys. 5.44 b-e przyrosty ładunków w stosunku do stanu neutralnego przy różnych wariantach polaryzacji tranzystora: 5.44b stan odcięcia ( EB <0, CB <0) rosną ładunki Q je i Q jc ; 5.44c stan aktywny normalny ( EB >0, CB <0) rośnie ładunek złącza B-C Q jc, maleje Q je oraz - pojawia się w bazie i emiterze ładunek nadmiarowy (Q B, Q E ). Q B elektrony wstrzykiwane z emitera do bazy (neutralizowane przez ładunek dziur Q + B ). Q + E - dziury wstrzykiwane z bazy (Q - E - neutralizujące je elektrony): Q + B + Q - B =0, Q + E + Q - E =0. Mimo zachowania obojętności elektrycznej obszarów bazy i emitera gromadzenie się ładunków Q B i Q E wiąże się z przepływem określonych prądów w określonym czasie. Czas ustalania się procesów przejściowych zależy tylko od własności nośników mniejszościowych. 13