Podstawy działania lmntów półprzwodnikowych - tranzystory Wrocław 2016 Wprowadzni Trójkońcówkowy (cztrokońcówkowy) półprzwodnikowy lmnt lktroniczny, posiadający zdolność wzmacniania synału lktryczno. Nazwa tranzystor pochodzi z anilskio zwrotu "transfr rsistor", który oznacza lmnt transformujący rzystancję. 1
Wprowadzni Tranzystor z wzlędu na swoj właściwości wzmacniając znajduj bardzo szroki zastosowani. Wykorzystywany jst do budowy różno rodzaju wzmacniaczy: różnicowych, opracyjnych, mocy (akustycznych), slktywnych, pasmowych. Jst podstawowym lmntm w konstrukcji wilu układów lktronicznych, takich jak źródła prądow, lustra prądow, stabilizatory, przsuwniki napięcia, przłączniki, przrzutniki oraz nratory. Poniważ tranzystor moż płnić rolę przłącznika, z tranzystorów buduj się takż bramki loiczn ralizując podstawow funkcj boolowski, co stało się motorm do bardzo dynamiczno rozwoju tchniki cyfrowj w ostatnich kilkudzisięciu latach. Tranzystory są stosowan do konstrukcji wszlkio rodzaju pamięci półprzwodnikowych. Wprowadzni POLARN (JT ipolar Junction Transistor) TROWAN PRĄOWO, czyli aby 0 musi 0 prąd wyjściowy jst funkcją prądu wjściowo UNPOLARN (FT Fild ffct Transistor) TROWAN POLM LKTRYZNYM występującym pomiędzy bramką i źródłm, czyli napięcim U wytwarzającym to pol, al 0 prąd wyjściowy jst funkcją napięcia wjściowo 2
Wprowadzni Złącz PN spolaryzowan zaporowo: P N U - + U AT 0.1...0.2V U p p q Lp n nn + L n p dzi: p,n współczynniki dyfuzji dziur i lktronów L p,n droi dyfuzji dziur i lktronów p n,n p koncntracj nośników mnijszościowych Wartość prądu nasycnia: Wprowadzni - ni zalży od przyłożono napięcia (źródło prądow) - zalży od poziomu nośników mnijszościowych w poszczólnych obszarach (strowan) np. poprzz zmianę liczby lktronów w obszarz p lub dziur w obszarz n 4 n p4 3 2 1 n p3 n p2 n p1 U 3
Wprowadzni dyby wstrzykiwać okrśloną liczbę nośników (lktronów lub dziur) w obszar zubożony złącza, można by zminiając prędkość wstrzykiwania (nracji) rulować prąd płynący przz diodę spolaryzowaną w kirunku zaporowym. odatkow lktrony - - - - - - - P N U - + Jak kontrolować liczbę (koncntrację) lktronów (nośników mnijszościowych)????? Wprowadzni posoby zmiany koncntracji nośników: - doprowadzni nrii z zwnątrz np.: prominiowani świtln, Rntnowski itp. - wstrzykiwani - dodatkowa lktroda (mitr) wprowadzani prądow 4
Wprowadzni Przy takij polaryzacji złącza p+- n dziury wstrzykiwan są do obszaru n. Jżli zdołają on przdostać się do obszaru spolaryzowano zaporowo złącza n-p, to zwiększą jo prąd wstczny. y było to możliw obszar typu n musi być wąski w porównaniu z droą dyfuzji dziur. Wprowadzni 1) dziury tracon na rkombinację w bazi; 2) dziury osiąając złącz kolktora spolaryzowan zaporowo; 3) ciplna nracja dziur i lktronów tworząca prąd nasycnia złącza kolktorowo; 4) lktrony dostarczan do bazy i rkombinując z dziurami; 5) lktrony wstrzyknięt do obszaru mitra przz złącz mitrow. 5
Wprowadzni Wprowadzni 6
Polaryzacja n p n p n p n p n p n p U + - + - U U - + - + U udowa 7
haraktrystyki Tranzystor traktujmy jako czwórnik o cztrch paramtrach: W WY Wyznaczamy charaktrystyki: U W U WY U U W W WY WY f f ( W ) UWY const ( UWY ) WY const ( W ) UWY const ( UWY ) const f - wjściow f W - zwrotn napięciow - przjściow prądow - wyjściow haraktrystyki dla W 8
tałoprądowy modl brsa - Molla la stanu aktywnj pracy możmy zapisać: α U xp ϕt 1 - rwrsyjny prąd nasycnia złącza mitrowo ( α ) Uproszczony modl M dla stanu aktywnj pracy normalnj tranzystora : U β U la wysokich tmpratur złącza bliskich max tmp. złącza (np.dla krzmu T jmax 170 0 ) konicznym staj się uwzlędnini zrowo prądu kolktora. Wówczas przyjmuj postać: β + β + β + tałoprądowy modl brsa - Molla ( ) 0 0 1 0 prąd zrowy złącza kolktor-baza przy polaryzacji wstcznj i odłączonym mitrz (typowa wartość dla krzmu 10-12 10-10 A, podwaja się przy wzrości tmpratury o każd 8 o ). U β (β+1) 0 U 9
tałoprądowy modl brsa - Molla Linaryzacja diody w punkci pracy Q U Q b U Q Q β Q U d b U Q du 0 U U Q Punkt pracy Q Q Q Q U Q U U Q U 10
tałoprądowy modl zastępczy tatyczny, niliniowy modl brsa Molla wykorzystywany jst do: - analizy stałoprądowj układów tranzystorowych: obliczania paramtrów układów polaryzacji - analizy stabilności tmpraturowj układów tranzystorowych i b Małosynałowy modl hybryd π paramtry r b u ' c c c i c transkonuktancja (ni zalży od indywidualnych właściwości tranzystora di Q ϕ c m uc const du T c mu c ϕ T potncjał trmiczny lktronu 26mV konuktancja wyjściowa du c Q c u const b ' dic U Y + U Q r bb rzystancja rozprosznia bazy wynika z skończonj konduktywności obszaru bazy. Wprowadza dodatkową polaryzację złacza baza-mitr w kirunku przwodznia (poprzz 0 ), co powoduj przypływ prądu mitra nawt przy braku polaryzacji złącza baza-mitr. Ma równiż znaczni przy analizi właściwości szumowych tranzystora dla w. cz. 11
Małosynałowy modl hybryd π paramtry c i b r b ' c c i c u c mu c konuktancja wjściowa du uc const dib m Q β ϕ β T di b c ub ' const duc transkonduktancja zwrotna c β β ( U + U ) Y Q Q 0 + c m ω β ω T Zjawisko arly o nachylni c U Y npn ~ (80-200) V pnp ~ (40-150) V U 12
Małosynałowy modl hybryd π częstotliwości raniczn zęstotliwości raniczn tranzystora - (wyznaczan z współczynnika β przy zwarciu obwodu kolktora) i b r b ' c c i c u c m u β ( jω) i c uc 0 ib mu i b ( jω) ( jω) m c + c 1+ jω c β ( ω) [d] Małosynałowy modl hybryd π częstotliwości raniczn β 0 0 dy ω > ω ω β β ( jω) j ω 3d dy β(ω Τ )1 ω ω β Τ ( c + c c ) << m + ( c c ) c max częstotliwość prznosznia m ft β f β0 f 2π c + c ( ) β c m ω 0 β ( jω) β0 dy ω ω β to β ( jω) przy β0 1+ jω β f β 2π ω ωβ c częstotliwość raniczna T ωβ ω β ω β + c c 13
Paramtry raniczn charaktrystyki dla dużych U U Omax max dopuszczaln nap. - U Omax max dopuszczaln nap. - dla 0 (ok. ½ U Omax ) U R - U Omax przy włączonym R pomiędzy - U - U Omax przy włączonym R0 pomiędzy - Paramtry raniczn Maksymalna moc strat moc zaminiana na cipło w tranzystorz P str U + U U 14
Paramtry statyczn Najważnijsz paramtry statyczn tranzystorów: - moc admisyjna P max (hiprbola mocy) - prąd maksymalny cmax - prąd zrowy 0 - maksymaln napięci U max - napięci nasycnia U sat - współczynnik wzmocninia prądowoβ 0 Obudowy tranzystora Tranzystory małosynałow Tranzystory o mocy większj niż 500mW Tranzystory o mocy (5 150)W 15
Paramtry popularnych tranzystorów Zastosowania 16
Wzmocnini!! Tranzystor polowy FT Fild ffct Transistor JFT Junction (złącz) MOFT Mtal Oxid miconductor (mtal-tlnk-półprzwodnik) (mtalowa bramka izolowana jst (dwu)tlnkim krzmu od półprzwodnikowo kanału wiodąco prąd). MOFT z kanałm zubażanym (MO) dpltion mod MOFT z kanałm wzboacanym (MO) nhacmnt mod W praktyc stosowan są : 1. JFT N, 2. MOFT wzboacany N, 3. MOFT wzboacany P. Tranzystory polow (unipolarn) działani związan tylko z nośnikim jdno rodzaju (dziury lub lktrony) Tranzystory polow strowan napięcim U (bipolarn ) w normalnych warunkach w obw. ni płyni prąd. Oznacza to, ż rzystancja wjściowa tranzystora jst bardzo duża. 17
Tranzystor polowy JFT popularn F245, F246, F247 Tranzystory JFT są normalni włączon U 0 tranzystor przwodzi (podobni MOFT zubażan) Tranzystor polowy Tranzystory złączow JFT z kanałm typu n U U U > 0, > 0, U < 0 i U p < 0 [ma] U -U - U p U 0 zakrs nasycnia (pntodowy) 2 U 1 U p U -U p U p U [V] napięci proow przy 0 (stan odcięcia kanału pinch-off) -U p max w zakrsi nasycnia (przy U 0) zakrs ninasycnia (triodowy) tranzystor zachowuj się jak rzystor ( funkcją U ) wart. rzyst. zalży od U U 2 [ ( U U ) U U ] 2 2 p p U [V] 18
Tranzystor polowy Tranzystory złączow JFT z kanałm typu p U [ma] U U [V] U p U [V] U U p U < 0, < 0, U > 0 i U p > 0 - U 0 U -U U p Tranzystor polowy Tranzystory złączow JFT modl małosynałowy U s ss d s ' m U s rss ' ds r dd m 2 U Transkonduktancja m δ δu U 0 2 ( U U p ) 2 p U p dy 2 max możliwa do uzyskania m U p mm transkonduktancja s pojmność pomiędzy bramką a źródłm, d pojmność pomiędzy bramką a drnm, s pojmność pomiędzy bramką a podłożm, r dd, r ss rzystancj szrow drnu i źródła, najczęścij pomijan w schmaci 19
Tranzystor polowy Tranzystory złączow JFT modl małosynałowy d ' r dd U s ss s ' m U s rss ds Konduktancja drnu ( 0 konduktancja wyjściowa) ds 0 δ δu U 0 ds 2 U p ( U p U ) λ λ λ - współczynnik uwzlędniający fkt modulacji dłuości kanału (0,001 0,100) V -1 Tranzystor polowy Tranzystory złączow JFT częstotliwość f T f T częstotliwość odcięcia (cut-off) wyznaczana przy w m U s, tj. przy zwartym wyjściu w d d ss s m U s przy zwartym wyjściu w jst prądm ładowania pojmności wjściowych ( s + ss d ) U s w jω + w 2πf TU s mu s + + s ss d f T m 2π 20
Tranzystory polowy Tranzystory z izolowana bramką z kanałm wzboacanym MOFT normalni wyłączon (MO) z kanałm typu n U > 0, > 0, U > 0 i U T > 0 U [ma] [ma] U U ON U > 0 U T typowo 10 V U [V] U [V] U T napięci proow przy 0 (thrshold), prąd (prąd upływu złącza -) przy napięciu U 0, ON prąd drnu przy płnym włączniu tranzystora (przy R ON ) Tranzystory polowy Tranzystory z izolowana bramką z kanałm wzboacanym MOFT normalni wyłączon (MO) z kanałm typu p U < 0, < 0, U < 0 i U T < 0 U U U [ma] U [V] typowo 10 V U T [ma] U [V] U < 0 ON 21
Tranzystor polowy Tranzystory MOFT modl małosynałowy b s d ' m U s r ss mb U bs ' ds bs r dd db Transkonduktancja m δ δu U, U const Konduktancja wyjściowa ds δ 0 δu U, U const mb δ δu U, U const Transkonduktancja wynikająca z wpływu U na paramtry kanału. Wykorzystywana w obliczniach dy pojawi się składowa zminna U. Tranzystor polowy Tranzystory MOFT modl małosynałowy d ' r dd b s ' m U s mb U bs ds db r ss bs w d d U s b s mu s ds db Tranzystory MO pracują najczęścij przy stałym napięciu bramki (brak składowj zminnj U ni występuj fkt podłoża) pomijamyźródło mb U bs 22
Tranzystor polowy Tranzystory MOFT częstotliwość odcięcia f T f T częstotliwość odcięcia (cut-off) wyznaczana przy w m U s, tj. przy zwartym wyjściu w d d U s b s m U s ds db f T 2π m ( + + ) s d b Tranzystor polowy Typow dan kataloow F245 (tranzystor złączowy kanał n zubożany małj mocy) Paramtry raniczn RF530 (tranzystor MO typu n wzboacany dużj mocy) Napięci - U max 30 V 100 V Prąd max 25 ma 10 A Napięci - U max -30 V ±20 V Moc strat P tot 300 mw 75 W Paramtry charaktrystyczn Napięci proow U P -1,5... 4,5 V 1,5... 3,5 V Prąd przy U 0 6... 15 ma 0.25 ma Transkonduktancja m 5 ma/v 5 A/V Prąd max 5 na 0,5 ma Prąd w st. odcięcia max 10 na 1 ma Pojmność wj w 4 pf 750 pf Pojmność wyj wy 1,6 pf 300 pf Pol wzmocninia f T 700 MHz 23
24