Tranzystory bipolarne

Tranzystory bipolarne
Tranzystor jest to element półprzewodnikowy, w zasadzie trójelektrodowy,
umożliwiający wzmacnianie mocy sygnałów elektrycznych. Tranzystory są to
trójelektrodowe
przyrządy
półprzewodnikowe
o
właściwościach
wzmacniających. Możemy wyróżnić trzy grupy tranzystorów: bipolarne, polowe
i jednozłączowe. Kombinacja dwóch złączy p-n w jednej płytce półprzewodnika
stanowi obszar roboczy tranzystora bipolarnego. Rozróżnia się tranzystory n-p-n
i p-n-p. Zasady działania tranzystorów n-p-n i p-n-p są jednakowe. Różnice
występują tylko w biegunowości zewnętrznych źródeł napięcia i kierunku
przepływu prądu.
Elementarna struktura tranzystora bipolarnego składa się z trzech wytworzonych
na płytce monokrystalicznego półprzewodnika warstw, kolejno npn lub pnp.
Warstwy te są nazywane zgodnie z ich funkcjami: E – emiter – dostarcza
nośniki mniejszościowe do bazy, B – baza – stanowi podstawę dla obu złączy,
C – kolektor – zabiera nośniki wstrzykiwane z emitera do bazy.
Każdy z trzech obszarów tranzystora (emiter, baza, kolektor) ma na
swojej powierzchni naniesioną warstwę metaliczną, za pośrednictwem, której
jest łączony z wyprowadzeniem zewnętrznym. Połączenia takie są realizowane
techniką zgrzewania eutektycznego bezpośrednio do obudowy i/lub za pomocą
drutu (Al, Au).
Cała konstrukcja tranzystora jest zwarta i odporna na drgania i
narażenia mechaniczne.
Obszar środkowy struktury tranzystora, w którym baza ma
najmniejszą grubość, ma najistotniejsze znaczenie dla jego działania. Tranzystor
bipolarny można, więc rozpatrywać jako szeregowe połączenia płaskich
obszarów emitera, bazy i kolektora.
a)
E
E
p
n
p
C
C
B
Rys.1. Model struktury i symbole graficzne tranzystora
bipolarnego: a) pnp; b) npn
B
b)
C
E
E
n
p
n
C
B
B
W normalnych warunkach pracy złącze emiterowe (emiter – baza)
jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, natomiast złącze kolektorowe
(kolektor – baza) ma polaryzację przeciwną.
Przez spolaryzowane w kierunku przewodzenia złącze emiterowe
wstrzykiwane są z emitera do bazy nośniki większościowe emitera. Nośniki te
poruszają się w bazie w kierunku kolektora wskutek mechanizmu dyfuzji oraz
unoszenia przez siły pola elektrycznego bazy. Docierają one do kolektora przez
spolaryzowane zaporowe złącze kolektorowe, którego pole ma kierunek zgodny
z polem bazy i wspomaga ruch wstrzykniętych z emitera nośników do kolektora.
Wartość strumienia nośników docierających do kolektora może być
w prosty sposób regulowana przez zmianę polaryzacji złącza emiterowego. Przy
tym niewielkie zmiany napięcia przewodzenia złącza emiterowego powodują
znaczne zmiany strumienia emitowanego, a w konsekwencji prądu
kolektorowego.
Model diodowy
Tranzystor bipolarny można rozpatrywać jako dwie przeciwstawnie
połączone i sprzężone ze sobą diody półprzewodnikowe. Symbole diod w
modelu reprezentują wyizolowane złącza tranzystora: emiterowe i kolektorowe.
Rys. 2
Rozkłady domieszek w tranzystorach
a – dyfuzyjnym
b - epitaksjalnym
W modelu stosuje się pojęcie bazy wewnętrznej. Jest to węzeł B′.
Baza jest połączona z bazą wewnętrzna za pomocą rezystancji rbb′ ,zwanej
rezystancją rozproszoną bazy. Rezystancja ta prezentuje fakt istnienia pewnego
spadku napięcia w obszarze bazy, wywołanego prądem bazy.
Dla szacowania przebiegu charakterystyk w najbardziej typowych
warunkach pracy tranzystora można dokonać dalszego uproszczenia modelu
diodowego.
Rys. 3
Uproszczony model diodowy stałoprądowy tranzystora.
Na poniższym rysunku przedstawiono typowe przebiegi
charakterystyk tranzystora pracującego w układzie ze wspólną bazą (OB):
zależność prądów od napięcia emiter – baza przy stałym zaporowym napięciu
złącza kolektorowego oraz zależności prądu kolektora od napięcia kolektor –
baza przy napięciu emiter – baza jako parametrze. Zależności prądów od
napięcia UEB przypominają charakterystykę złącza. Występuje w nich pewien
prób, określany napięciem UT, po przekroczeniu, którego następuje duży wzrost
prądów. Przy napięciu przewodzenia złącza emiterowego mniejszych od UT
prądy tranzystora są natomiast relatywnie małe i dlatego przyjmuje się, że
tranzystor pracuje w stanie przytkania. Dla napięć zaporowych złącza
emiterowego prądy są zwykle pomijalnie małe i dlatego takie warunki pracy są
określane jako stan odcięcia.
Rys. 4
Charakterystyki statyczne tranzystora n-p-n w układzie OB
Zależność prądu kolektora od napięcia kolektora ma dwa
charakterystyczne zakresy – aktywny i nasycenia. Zakres aktywny, to zakres
dotychczas określany jako normalny. W tym zakresie złącze emiterowe jest
spolaryzowane w kierunku przewodzenia, złącze kolektorowe zaś – w kierunku
zaporowym.
Stan nasycenia charakteryzuje się z kolei tym, że oba złącza
tranzystora mają polaryzację w kierunku przewodzenia.
W zakresie aktywnym prąd kolektora jedynie nieznacznie wzrasta z
napięciem kolektora, odpowiednio do wzrostu współczynnika powielania M,
który jest głównym czynnikiem powodującym zmiany.
Rys. 5
Charakterystyki statyczne tranzystora n-p-n w układzie wspólnego emitera
Na powyższym rysunku przedstawiono typowe charakterystyki
statyczne tranzystora pracującego w układzie ze wspólnym emiterem. Ich
przebieg jest również zgodny z równaniami Ebersa-Molla, z tym że w
równaniach tych należy podstawić wartości napięć z uwzględnieniem relacji
UEB = -UBE ;
UCE = UCB + UBE
Zakres nasycenia w tym układzie pracy występuje po tej samej
stronie osi napięć UCE co i zakres aktywny, gdyż przy napięciach kolektora
mniejszych od napięcia bazy złącze kolektorowe jest w stanie przewodzenia.
Właściwości i parametry.
Właściwości tranzystora opisują rodziny jego charakterystyk statycznych i
parametry dynamiczne.
Charakterystyki statyczne przedstawiają zależności między prądami:
emitera IE, bazy IB, kolektora IC i napięciami: baza-emiter UBE, kolektor-emiter
UCE i kolektor-baza UCB, stałymi lub wolno zmieniającymi się. Rozróżnia się
charakterystyki: wyjściowe, wejściowe, przejściowe, zwrotne.
RC
C
IC
UCB
RB
B
UCE
EC
IB
UBE
EB
IE
E
Rys. 3. Schemat połączeń tranzystora bipolarnego
w układzie OE.
Zewnętrzne źródła napięcia EB i EC (rys. 3) służą do polaryzacji dwóch
złączy tranzystora: kolektor-baza i emiter-baza. Możliwe są cztery warianty
polaryzacji, odpowiadające czterem różnym stanom pracy tranzystora:
nasycenia – EB i BC w kierunku przewodzenia, przewodzenia – EB
w kierunku przewodzenia a BC w zatkania, odcięcia – EB i BC zatkania,
inwersyjnym
–
EB
zatkania
a BC przewodzenia. W obwodzie baza-emiter oprócz źródła EB może się
również znajdować źródło sygnału, a w obwodzie kolektor-emiter – obciążenie.
Zacisk emitera jest wspólny dla obwodu we i wy. Dlatego układ nazywa się
układem ze wspólnym emiterem OE. Występuje również ze wspólnym
kolektorem OC i wspólną bazą OB.
Między napięciami i prądami tranzystora zachodzą następujące relacje:
UCE=UBE+UCB
IE=-(IC+IB)
W przedstawionych układach pracy tranzystor ma zawsze dwa zaciski
wejściowe i dwa zaciski wyjściowe, a więc może być traktowany jako czwórnik
rys.4.
I0
II
UI
U0
Rys. 4.
Czwórnik taki może być opisany parą równań hybrydowych (dla OE):
UBE=h11EIB+h12EUCE
IC=h21EIB+h22EUCE
W równaniach tych prądy i napięcia mają wartość stałą. Korzystając ze
stanu jałowego i stanu zwarcia czwórnika możemy wyznaczyć parametry
hybrydowe:
U BE
, U CE = 0
IB
U
Współczynnik oddziaływania wstecznego h12 E = BE , I B = 0
U CE
Impedancja wejściowa tranzystora h11E =
Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego (β0) h21E =
Admitancja wyjściowa tranzystora h22 E =
IC
, U CE = 0
IB
IC
, IB = 0
U CE
Dla zmiennych wartości napięć i prądów układ równań mieszanych
przyjmie postać:
∆UBE=h11e∆IB+h12e∆UCE
∆IC=h21e∆IB+h22e∆UCE
IC [mA]
IB=30 µA
UCE=20V
IB=20 µA
IB=10 µA
UCE=10V
Rys. 5. Cztery rodziny charakterystyk
statycznych tranzystora w układzie OE.
IB=0µA
IB [µA]
UCE [V]
UCE=10V
UCE=20V
UBE [V]
W I ćwiartce rys. 5. przedstawione są charakterystyki wyjściowe
przedstawiające związek między prądem kolektora IC i napięciem kolektoremiter UCE. Przebieg ich zależy od prądu bazy IB, który jest parametrem rodziny
krzywych.
Na charakterystykach wyjściowych można wyróżnić kilka zakresów
związanych z polaryzacją złączy emiter-baza i kolektor-baza. Najczęściej
wykorzystuje się zakres aktywny, w którym złącze emiter-baza jest
spolaryzowane w kierunku przewodzenia (potencjał bazy wyższy od potencjału
emitera), zaś złącze kolektor-baza w kierunku wstecznym (potencjał kolektora
wyższy od potencjału bazy).
Najczęściej tranzystor pracuje w zakresie prostoliniowej części charakterystyki.
Dla tego zakresu małe zmiany prądu kolektora IC dają duże zmiany napięcia
UCE. W tym zakresie wyznaczamy parametr h22
W II ćwiartce przedstawiona jest zależność prądu wyjściowego IC od
prądu wejściowego IB przy stałym napięciu wyjściowym UCE. Jest to rodzina
charakterystyk przejściowych IC= f(IB).
Z charakterystyk tych wyznaczamy parametr h21.tranzystora.
W III ćwiartce wykreślona jest zależność IB= f(UBE) przy UCE= const. Jest
to rodzina charakterystyk wejściowych.
W IV ćwiartce wykreślona jest zależność UBE= f(UCE) przy IB= const. Jest
to rodzina charakterystyk zwrotnych.
Do parametrów dynamicznych tranzystorów bipolarnych należą
parametry różniczkowe i parametry impulsowe.
Parametry różniczkowe są wielkościami opisującymi właściwości
tranzystora przy małych sygnałach prądu zmiennego. Sygnały takie występują
najczęściej przy pracy tranzystora w układzie elektronicznym na tle sygnałów
stałych o dużych wartościach, polaryzujących w odpowiedni sposób elektrody
tranzystora, czyli ustalających punkt pracy na charakterystykach statycznych.
Do parametrów różniczkowych należą np. współczynniki wzmocnienia α0 i β0.
Właściwości częstotliwościowe tranzystora bipolarnego charakteryzują:
- częstotliwość fα, dla której moduł zwarciowego współczynnika
wzmocnienia prądowego α0 zmniejszy się o 3dB w stosunku do wartości
przy małej częstotliwości;
- częstotliwość fβ, dla której moduł zwarciowego współczynnika
wzmocnienia prądowego β0 zmniejszy się o 3dB w stosunku do wartości
przy małej częstotliwości;
- częstotliwość fT, będąca iloczynem współczynnika wzmocnienia
prądowego β0 dla małej częstotliwości i częstotliwości granicznej fβ
fT ≈ f β β 0
Między wymienionymi częstotliwościami zachodzą reakcje
f β < f T < fα
przy czym zależność współczynnika β0 od częstotliwości ma postać
β0 ( f ) =
-
β0
f
1+ j
fβ
.
Ze względu na wartość częstotliwości fT tranzystory dzieli się na:
małej częstotliwości (fT ≤ 3MHz),
średniej częstotliwości (3MHz ≤fT ≤ 30MHz),
wielkiej częstotliwości (30Mhz ≤ fT ≤ 300MHz),
bardzo wielkiej częstotliwości (fT ≥ 300MHz.
W analizie układów elektronicznych tranzystorowi bipolarnemu
przyporządkowuje się pewien schemat zastępczy. Istnieje szereg takich
schematów. Jeden z uproszczonych schematów, tzw. hybryd π układu OE,
słuszny w zakresie aktywnym dla małych sygnałów i częstotliwości,
przedstawiono na poniższym rysunku. Na schemacie tym, występuje dodatkowa
rezystancja rbb`. Jest to rezystancja obszaru bazy tranzystora między
doprowadzeniem zewnętrznym B i tzw. bazą wewnętrzną B`. Wynosi ona od
kilkudziesięciu do kilkuset omów. W zakresie większych częstotliwości należy
również uwzględnić pojemność złączy (naniesione liniami kreskowymi).
Cb`c
rbb`
B
Ib
IC
B`
I`C=β0I`b
Ib`
UBE
rbe
E
C
Cb`e
rce
UCE
E
Rys. 6. Uproszczony schemat zastępczy małosygnałowy tranzystora
bipolarnego w układzie OE.
Parametry impulsowe opisują procesy przejściowe podczas przełączania
między stacjonarnymi stanami tranzystora, którymi są stan
nieprzewodzenia i stan nasycenia.
Przypisy:
- dr hab. inż. Michał Polowczyk
„ELEMENTY I PRZYŻĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE POWSZECHNEGO
ZASTOSOWANIA.”
- www.onet.pl
- oraz własne materiały
Pracę przygotował:
Dariusz Pasek KL. III „te”