Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska
1947 r. pierwszy tranzystor ostrzowy John Bradeen (z lewej), William Shockley (w środku) i Walter Brattain (z prawej) (Bell Labs) Zygmunt Kubiak 2
1947 r. pierwszy tranzystor ostrzowy John Bradeen, William Shockley i Walter Brattain (Bell Labs) Zygmunt Kubiak 3
German typ n (domieszka Arsen), typ p (domieszka Ind) Zygmunt Kubiak 4
1950 r. - pierwszy tranzystor złączowy bipolarny Zygmunt Kubiak 5
Tranzystor złączowy bipolarny Zygmunt Kubiak 6
Tranzystor złączowy bipolarny Zygmunt Kubiak 7
Tranzystor złączowy bipolarny, planarny http://forbot.pl/blog/artykuly/elektronika/kurs-elektroniki-7-tranzystory-w-praktyce-id4315 Zygmunt Kubiak 8
1957 r. pierwszy złączowy tranzystor polowy JFET http://instalacje2004.republika.pl/polprze/tran_unip.html http://ep.com.pl/artykuly/9719-nowoczesne_tranzystory_mocy_czyli_dluga_droga_do_sic_i_gan.html Zygmunt Kubiak 9
1959 r. pierwszy tranzystor MOSFET Zygmunt Kubiak 10
Podział tranzystorów - uproszczony Tranzystory bipolarne typ npn typ pnp Tranzystory polowe (FET) złączowe (JFET) z kanałem n z kanałem p z kanałem zubożanym z izolowaną bramką (MOSFET) z kanałem wzbogacanym z kanałem n z kanałem p z kanałem n z kanałem p Zygmunt Kubiak 11
Tranzystory bipolarne Zygmunt Kubiak 12
Rozpływ prądu w tranzystorze złączowym bipolarnym Gdy złącze B-E spolaryzowane jest przewodząco to istnieje przepływ dziur z obszaru p do n oraz elektronów z obszaru n do p Część elektronów w obszarze p (bazy) łączy się z dziurami (rekombinuje) Zdecydowana większość elektronów, wstrzykiwanych z obszaru emitera do cienkiej warstwy bazy (p), trafia do złącza B-C a stąd pod wpływem pola elektrycznego do elektrody kolektora http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 13
Rozpływ prądu w tranzystorze złączowym bipolarnym Prąd bazy składa się z prądu rekombinacji oraz prądu wstrzykiwania dziur z obszaru bazy do obszaru emitera Prąd bazy jest znacznie mniejszy od prądu kolektora (IB << IC); stosunek prądu kolektora do prądu bazy nazywany jest wzmocnieniem prądowym tranzystora, oznaczanym grecką literą ß Tranzystory są konstruowane w taki sposób aby uzyskać duże wzmocnienie prądowe (wąski obszar bazy i silnie domieszkowany obszar emitera (n)) http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 14
Rozpływ prądu w tranzystorze złączowym bipolarnym Gdy złącze B-E spolaryzowane jest zaporowo, to w obwodzie kolektora płynie niewielki prąd IC0 (zależny od temperatury) Prąd kolektora z uwzględnieniem prądu zerowego ma postać IC = (1+β) IC0 + β IB Ponieważ IC0 << IB to z reguły stosuje się wzór uproszczony ß = IC / IB http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 15
Bipolarny tranzystor npn w układzie wzmacniacza (wspólny E) Złącze C-B spolaryzowane w kierunku zaporowym, natomiast złącze B-E spolaryzowane w kierunku przewodzenia http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 16
Bipolarny tranzystor npn w układzie wzmacniacza (wspólny E) Bipolarny tranzystor pnp w układzie wzmacniacza (wspólny E) http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 17
Charakterystyki tranzystora http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 18
Charakterystyki tranzystora http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 19
Charakterystyki tranzystora Wzmocnienie nie jest stałe i zależy od prądu Wzmocnienie statyczne i dynamiczne http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 20
Parametry graniczne tranzystora UEB0max dopuszczalne napięcie wsteczne B-E UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne C-B UCE0max maksymalne napięcie dopuszczalne C-E ICmax - maksymalny prąd kolektora IBmax - maksymalny prąd bazy Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 21
Parametry graniczne tranzystora SOA - dozwolony obszar pracy aktywnej (ang. Safe Operating Area) Najwięcej mocy strat wydziela się w krótkich chwilach przełączania http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 22
Parametry graniczne tranzystora Zygmunt Kubiak 23
Charakterystyka wyjściowa tranzystora (rzeczywista) Punkty pracy http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 24
Charakterystyka wyjściowa tranzystora (uproszczona) Stan aktywny opisany równaniem IC = β IB + ICE0 Brak zależności od UCE Stałe wzmocnienie prądowe β Napięcie UBE nie zależy od IB Napięcie UCES nie zależy od prądu kolektora IC ani prądu bazy IB Granica między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora występuje dla UCB = 0 czyli UCE = UBE http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 25
Tranzystory polowe Zygmunt Kubiak 26
Charakterystyki tranzystorów polowych http://ea.elportal.pl/polowe.html Zygmunt Kubiak 27
Działanie tranzystorów JFET (ang. Junction Field Effect Transistor) a) zwarte elektrody b) zaporowa polaryzacja złącza GS c) polaryzacja złącza DS. d) napięcie UDS większe niż na rys. c) Rezystancja kanału DS tranzystora JFET zależy od napięcia UDS http://ea.elportal.pl/polowe.html Zygmunt Kubiak 28
Działanie tranzystorów MOSFET (ang. Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) z kanałem indukowanym n+ oznacza silnie domieszkowany półprzewodnik typu n a) rozkład ładunków dla UGS = UDS =0; wokół obszaru źródła i drenu występuje obszar ładunku ujemnych jonów domieszki akceptorowej; b) bramka spolaryzowana dodatnio względem źródła (UGS > 0); dodatnia polaryzacja bramki indukuje pod jej powierzchnią warstwę inwersyjną (warstwa elektronów swobodnych) a głębiej, warstwę ujemnych jonów akceptorowych z której wypchnięte zostały dziury Warstwa inwersyjna stanowi wyindukowany kanał łączący źródło z drenem http://ea.elportal.pl/polowe.html Zygmunt Kubiak 29
Działanie tranzystorów MOSFET (ang. Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) z kanałem indukowanym c) rozkład ładunków dla UGS > 0 i UDS > 0; wokół obszaru źródła i drenu występuje obszar ładunku ujemnych jonów domieszki akceptorowej; d) jak w c) ale zwiększone napięcie UDS co powoduje dalsze zawężenie kanału; charakterystyki wyjściowe ulegają ugięciu nie są liniowe http://ea.elportal.pl/polowe.html Zygmunt Kubiak 30
Charakterystyki przejściowe tranzystorów MOSFET (ang. Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) d) jak w c) ale zwiększone napięcie UDS co powoduje dalsze zawężenie kanału; charakterystyki wyjściowe ulegają ugięciu nie są liniowe http://ea.elportal.pl/polowe.html Zygmunt Kubiak 31
Inne typy tranzystorów Zygmunt Kubiak 32
Tranzystory IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) Łąc 11-2016 Zygmunt Kubiak 33
Tranzystory IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) Łąc TRANZYSTOR IGBT FUJI 2MBI600NT-060 600V 600A 11-2016 Zygmunt Kubiak 34
Zygmunt Kubiak 35
Dziękuję Zygmunt Kubiak 36 09-200 6
Charakterystyka wyjśc Charakterystyka wyjściowa tranzystora (uproszczona) tranzystora (uproszcz Stan aktywny opisany równaniem IC = β IB + ICE0 Stan aktywny opisany równaniem IC = β IB + Brak zależności od UCE Brak zależności od UCE Stałe wzmocnienie prądowe β Stałe wzmocnienie prądow Napięcie UBE nie zależy od IB Napięcie UBE nie zależy o Napięcie UCES nie zależy prądu kolektora IC ani prądu bazy IB Napięcie UCES nie zależy Granica między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora występuje kolektora IC ani prądu ba dla UCB czyli UCE = UBE Granica między stanem aktywnym a stanem nasyc tranzystora występuje d czyli UCE = UBE http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 37
1950 r. - pierwszy tranzystor złączowy bipolarny http://ea.elportal.pl/bipolarne.html Zygmunt Kubiak 38
Zygmunt Kubiak 39
W standardowym równaniu, opisującym spadek napięcia baza-emiter w tranzystorze bipolarnym, według modelu Ebbersa Molla, występuje temperaturowo uzależniony zwrotny prąd nasycenia (In) Na schemacie zostało to jednak uproszczone przyjęciem identycznej geometrii obu diod i przeliczania prądu w diodach. W tym przykładzie przyjęto stosunek natężeń prądu w diodach jak 16:1. Układ ten pozwala na pojedynczy pomiar różnicowy, umożliwiający wyeliminowanie szumu w diodzie, co poprawia szumowe parametry systemu. Ponieważ jednak w zdalnym czujniku diodowym jest tylko jedna dioda, wykonuje się kolejno dwa pomiary różnicowe i bierze ich różnicę, otrzymując poziom sygnału około 240µV/ o C. Zygmunt Kubiak 40
Zygmunt Kubiak 41
Zygmunt Kubiak 42