tranzystory Wprowadzenie - Politechnika Wrocławska

Komentarze

Transkrypt

tranzystory Wprowadzenie - Politechnika Wrocławska
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Podstawy działania
elementów
półprzewodnikowych tranzystory
Wrocław 2010
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wprowadzenie
Złącze PN spolaryzowane zaporowo:
P
I
N
IS
-
U
IS
+
U
USAT=0.1...0.2V
gdzie:
D p
Dn 
I S = q p n + n p 
 Lp
Ln 

Dp,n – współczynniki dyfuzji dziur i elektronów
Lp,n – drogi dyfuzji dziur i elektronów
pn,np – koncentracje nośników mniejszościowych
1
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wprowadzenie
Wartość prądu nasycenia:
- nie zależy od przyłożonego napięcia (źródło prądowe)
- zależy od poziomu nośników mniejszościowych w poszczególnych
obszarach (sterowane)
Np.: zmieniając liczbę elektronów w obszarze ‘P’:
I
IS4
np4
IS3
IS2
IS1
np3
np2
np1
U
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wprowadzenie
Jak kontrolować liczbę (koncentrację) elektronów
(nośników mniejszościowych)?????
Dodatkowe
elektrony
-
- -
P
N
IS
-
U
+
2
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wprowadzenie
Sposoby zmiany koncentracji nośników:
- doprowadzenie energii z zewnątrz np.: promieniowanie
świetlne, Rentgenowskie itp.
- wstrzykiwanie - dodatkowa elektroda (emiter) –
wprowadzanie prądowe
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wprowadzenie
3
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny npn
Zasada działania
Złącze E-B w kier przewodz. (z E do B
wstrzykiwane elektrony)
Elektrony po przejściu przez B dostają
się do warstwy zaporowej B-C, z której
wyciągane są przez istniejący potencjał
+ w kierunku C.
Strumień elektronów wstrzykiwanych do
bazy stanowi prąd emitera IE w
obwodzie wejściowym, a strumień
elektronów odbieranych przez C – IC.w
obwodzie wyjściowym.
Współczynnik wzmocnienia prądowego
tranzystora:
α=
IC
IB
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny npn
Zasada działania
Współczynnik równy 1, gdyż oba
strumienie elektronów są równe sobie.
Jeśli w obwodzie wej. umieścimy źródło
sterowane, w obwodzie wyjściowym R0,
to ze względu na dużo większą
rezystancję spolaryzowanego zaporowo
B-C niż E-B (w kier. przewodzenia),
zmiany IE spowodują znaczne większe
zmiany napięcia na złączu B-C niż E-B,
zatem moc na na R0 znacznie większa
od mocy dostarczanej do obw.wej. –
efekt WZMOCNIENIE!
4
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Polaryzacja
n–p–n
C
C
B
p–n–p
B
E
n
p
n
B
B
E
C
UBE
-
B
E
-
E
UBE
E
-
-
B
+
E
IC
IB
UCE
C
B
C
+
B
p
n
p
E
IC
IB
+
C
C
C
+
UCE
E
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Charakterystyki
Tranzystor traktujemy jako czwórnik o czterech parametrach:
IWE
Wyznaczamy
charakterystyki:
U WE = f (IWE )UWY =const
U WE = f (U WY )IWY =const
IWY = f (IWE )UWY =const
IWY = f (U WY )IWE =const
UWE
IWY
UWY
- wejściowe
- zwrotne napięciowe
- przejściowe prądowe
- wyjściowe
5
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Charakterystyki
WE
C
IC
IB
+
UBE
+
B
-
-
UCE
E
U WE = f (IWE )UWY = const
- wejściowe
napięciowe
U WE = f (UWY )IWY- zwrotne
= const
przejściowe prądowe
IWY = f (IWE )UWY -=const
IWY = f (U WY )IWE = const
- wyjściowe
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Stałoprądowy model Ebersa - Molla
C
IC
UBC
B
IB
prąd diody emiterowej (aktywny zakres pracy normalnej
tranzystora UBE>0,3V i UBC<<0)
αNIN
αIII
UBE
E
II
IN
 U
I N = I ES exp BE
  ϕ T
 
 − 1
 
prąd diody kolektorowej (aktywny zakres pracy inwersyjnej
tranzystora UBE<<0 i UBC>0,3V)
 U
I I = I CS exp BC
  ϕ T
 
 − 1
 
IE
IES – rewersyjny prąd nasycenia złącza emiterowego przy zwartym złączu kolektorowym UBC=0
ICS – rewersyjny prąd nasycenia złącza kolektorowego przy zwartym złączu emiterowym UBE=0
αN – współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora dla WB przy aktywnej pracy normalnej
βN – współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora dla WE przy aktywnej pracy normalnej
αI – współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora dla WB przy aktywnej pracy inwersyjnej
αN =
IC
βN
=
IE βN +1
βN =
IC
αN
=
I B 1−α N
6
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Stałoprądowy model Ebersa - Molla
Dla stanu aktywnej pracy możemy zapisać:
 U
I N = I ES exp BE
  ϕT

 
 
stąd otrzymujemy:
IE = IN
IC = α N I N
I B = I E − I C = (1 − α N ) I N
zatem uproszczony model E – M dla stanu aktywnej pracy normalnej tranzystora :
B
IB
IC
C
β IB
UBE
E
UCE
E
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Stałoprądowy model Ebersa - Molla
Dla wysokich temperatur złącza bliskich max temp. złącza (np.dla krzemu Tjmax=1700) koniecznym
staje się uwzględnieni zerowego prądu kolektora. Wówczas IC przyjmuje postać:
I C = βI B + I C 0 = βI B + (β + 1)I CB0
ICB0 – prąd zerowy złącza kolektor-baza przy polaryzacji wstecznej i odłączonym emiterze (typowa wartość dla
krzemu 10-12 – 10-10 A, podwaja się przy wzroście temperatury o każde 8oC).
B
UBE
E
IB
IC
β IB
(β+1)ICB0
C
UCE
E
7
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Stałoprądowy model Ebersa - Molla
Linearyzacja diody w punkcie pracy Q
IBQ
B
ICQ
gbe
UBE
UBEQ
C
β ⋅ I BQ
UCE
E
g be =
E
dI E
dU BE
U BEQ
≈0
U BE = U BEQ
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Punkt pracy
IC
IB
IBQ
Q
UBEQ
ICQ
UBE
Q
UCEQ
UCE
8
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Małosygnałowy model „hybryd π” – parametry
gb'c
B
ib
rbb'
transkonuktancja (nie zależy od
indywidualnych właściwości tranzystora
cb'c
B'
ic
gm =
C
ub'e
gb'e
cb'e
gmub'e
dic
dub 'e
uce =const
=
I CQ
ϕT
ϕT – potencjał termiczny elektronu ≈ 26mV
gce
konuktancja wyjściowa
E
E
rbb’ – rezystancja rozproszenia bazy (rezystancja
między zaciskiem zewnętrznym B a bazą
„wewnętrzną” ~ 100Ω)
Cb 'e + Cb 'c =
g b 'e
ωβ
=
g ce =
duce
dic
u b 'e = const
=
I CQ
U EY + U CEQ
konuktancja wejściowa
g b 'e =
gm
dub 'e
dib
u ce = const
=
gm
β
=
I CQ
ϕT β
transkonduktancja zwrotna
ωT
g b 'c =
dib
duce
ub 'e = const
=
g ce
β
=
I CQ
β (U EY + U CEQ )
≈0
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Zjawisko Early’ego
IC
nachylenie gce
UEY
UCE
npn ~ (80-200) V
pnp ~ (40-150) V
9
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Małosygnałowy model „hybryd π” – częstotliwości graniczne
Częstotliwości graniczne tranzystora - (wyznaczane ze współczynnika β przy zwarciu obwodu kolektora)
rbb'
ib
cb'c
B'
B
ic
C
ub'e
cb'e
gb'e
gmub'e
E
E
i
β ( jω ) = c
ib
u ce = 0
g u ( jω )
= m b 'e
=
ib ( jω )
gm
g b 'e
c +c 
1 + jω  b 'e b 'c 
 g b 'e 
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Małosygnałowy model „hybryd π” – częstotliwości graniczne
β (ω )
gdy ω → 0 ⇒ β ( jω ) =
[dB]
β0
gm
= β0
g b 'e
3dB
gdy ω ↑ to β ↓ przy ω = ωβ =
β ( jω ) =
0
ωβ
β(ωΤ)=1
ωΤ
gdy ω > ω β ⇒ ω (cb 'e + cb 'c ) << g b 'e
gm
β ( jω ) =
jω (cb 'e + cb 'c )
ω
β0
1 + jω β
częstotliwość graniczna
fβ =
ωβ
2π
max częstotliwość przenoszenia
fT =
gm
= β f = β0 f β
2π (cb 'e + cb 'c )
g b 'e
cb 'e + cb 'c
β=
ωT
ωβ
10
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Parametry graniczne – charakterystyki dla dużych UCE
UCBOmax – max dopuszczalne nap. C-B
UCEOmax – max dopuszczalne nap. C-E dla IB =0 (ok. ½ UCBOmax)
UCER - UCEOmax przy włączonym R pomiędzy B-E
UCES - UCEOmax przy włączonym R=0 pomiędzy B-E
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Parametry graniczne
Maksymalna moc strat – moc zamieniana na ciepło w tranzystorze
Pstr = U CE I C + U BE I B ≈ U CE I C
11
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Typowe dane katalogowe
BC237B (tr npn małej mocy)
BD249A (tr npn dużej mocy)
Parametry graniczne
Napięcie C-E
UCE0 max
Prąd C
IC max
Napięcie E-B
UEB0 max
Prąd B
IB max
Moc strat
Ptot
Prąd zerowy C
ICB0
0,2 nA
0,5mA
Pojemność złącza C-B
Cc
3 pF
500 pF
Pojemność złącza E-B
Ce
45 V
60 V
100 mA
25 A
6V
5V
50 mA
5A
300 mW
125 W
Parametry
8 pF
Parametry zależne od ICQ
Napięcie B-E
UBE
0,6 V (ICQ = 1mA)
0,8 V (ICQ = 1A)
Napięcie nasycenia
UCEsat
60 mV (ICQ = 1mA)
200 mV (ICQ = 1A)
Wsp.wzmoc.prądowego
β
240 ... 500 (ICQ = 1mA)
40 ... 180 (ICQ = 1mA)
Pole wzmocnienia
fT
100 MHz
3 MHz
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
FET – Field Effect Transistor
JFET – Junction (złącze)
MOSFET – Metal Oxide Semiconductor (metal-tlenek-półprzewodnik) (metalowa bramka izolowana
jest (dwu)tlenkiem krzemu od półprzewodnikowego kanału wiodącego prąd).
MOSFET z kanałem zubażanym (DMOS) – depletion mode
MOSFET z kanałem wzbogacanym (EMOS) – enhacement mode
W praktyce stosowane są :
1. JFET N,
2. MOSFET wzbogacany N,
3. MOSFET wzbogacany P.
Tranzystory polowe sterowane napięciem UGS (bipolarne IB) w normalnych warunkach w obw. B nie
płynie prąd. Oznacza to, że rezystancja wejściowa tranzystora jest bardzo duża
12
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
JFET – popularne BF245, BF246, BF247
Tranzystory JFET są normalnie włączone UGS = 0 tranzystor przewodzi (podobnie MOSFET
zubażane)
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory złączowe – JFET z kanałem typu n
ID
ID
[mA]
D
UGS
UDS -UGS = - Up
UGS = 0
G
UDS
IDSS
zakres nasycenia
(pentodowy)
 U
I D = I DSS  1 − GS

Up

S
UDS > 0, ID > 0, UGS < 0 i Up < 0




2
UGS = -Up
UGS
[V]
UDS
[V]
-Up
zakres nienasycenia (triodowy)
– tranzystor zachowuje się jak
rezystor (ID funkcją UDS) –
wart. rezyst. zależy od UGS
ID =
[
I DSS
2
2(U GS − U p )U DS − U DS
2
Up
]
Up – napięcie progowe przy ID = 0 (stan odcięcia kanału – pinch-off)
IDSS – max ID w zakresie nasycenia (przy UGS = 0)
13
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory złączowe – JFET z kanałem typu p
ID
D
G
UGS
ID
[mA]
UDS
Up
UDS
[V]
S
UGS
[V]
UGS = Up
UDS < 0, ID < 0, UGS > 0 i Up > 0
-IDSS
UGS = 0
UDS -UGS = Up
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory złączowe – JFET – model małosygnałowy
Cgd
D'
G
Cgss
Transkonduktancja
D
gm =
gds
Cgs
Ugs
rdd
gmUgs
S'
gm =
rss
S
S
gdy ID = IDSS
gm =
δI D
δU GS
U DS = 0
2 I DSS
(U GS − U p ) = 2
2
Up
Up
2 I DSS
= g mm
Up
I DSS I D
max możliwa do uzyskania
transkonduktancja
Cgs – pojemność pomiędzy bramką a źródłem,
Cgd – pojemność pomiędzy bramką a drenem,
Cgs – pojemność pomiędzy bramką a podłożem,
rdd , rss – rezystancje szeregowe drenu i źródła, najczęściej pomijane w schemacie
14
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory złączowe – JFET – model małosygnałowy
Cgd
Cgss
D
gds
Cgs
Ugs
rdd
D'
G
Konduktancja drenu
(g0 – konduktancja wyjściowa)
gmUgs
S'
g ds = g 0 =
rss
S
S
g ds = λ
λ
δI D
δU DS
U GS = 0
I DSS
(U p − U GS ) = λI D
2
Up
- współczynnik uwzględniający efekt modulacji długości kanału (0,001 – 0,100) V-1
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory złączowe – JFET – częstotliwość fT
fT – częstotliwość odcięcia (cut-off) wyznaczana przy Iwe = gmUgs , tj. przy zwartym wyjściu
Cgd
Iwe
G
Cgss
Cgs
Id
D
gmUgs
S
S
przy zwartym wyjściu Iwe jest prądem ładowania pojemności wejściowych
I we = jω (C gs + C gss + C gd )U gs
CG = C gs + C gss + C gd
I we = 2πfT CGU gs = g mU gs
fT =
gm
2πCG
15
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystory polowy
Tranzystory z izolowana bramką z kanałem wzbogacanym
MOSFET normalnie wyłączone (EMOS) – z kanałem typu n
ID
–
UDS > 0, ID > 0, UGS > 0 i UT > 0
D
G
UGS
B
UDS
UBB
S
ID
[mA]
ID
[mA]
IDON
UGS > 0
IDSS
UT
typowo
10 V
UDS
[V]
UGS
[V]
UT – napięcie progowe przy ID = 0 (threshold),
IDSS – prąd ID (prąd upływu złącza D-S) przy napięciu UGS ≈ 0,
IDON – prąd drenu przy pełnym włączeniu tranzystora (przy RDON)
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystory polowy
Tranzystory z izolowana bramką z kanałem wzbogacanym
MOSFET normalnie wyłączone (EMOS) – z kanałem typu p
–
ID
UDS < 0, ID < 0, UGS < 0 i UT < 0
D
G
UGS
B
S
UDS
UBB
ID
[mA]
UDS
[V]
typowo
10 V
UT
ID
[mA]
IDSS
UGS
[V]
UGS < 0
IDON
16
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory MOSFET – model małosygnałowy
Cgd
Cgb
rdd
D'
G
D
gds
Cgs
Transkonduktancja
Cdb
gmUgs gmbUbs
gm =
S'
rss
Cbs
S
g mb =
Konduktancja wyjściowa
δI D
δU DS
U DS ,U BS = const
δI D
δU BS
U DS ,U GS = const
Transkonduktancja wynikająca z wpływu UBS na
parametry kanału. Wykorzystywana w obliczeniach
gdy pojawi się składowa zmienna UBS.
B
g ds = g 0 =
δI D
δU GS
U GS ,U BS = const
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory MOSFET – model małosygnałowy
Cgd
Cgb
rdd
D'
G
D
gds
Cgs
Cdb
gmUgs gmbUbs
S'
rss
Cbs
S
Cgd
Iwe
B
Id
G
Ugs
S
D
Cgb
Cgs
gmUgs
gds
Cdb
S
Tranzystory MOS pracują najczęściej przy stałym napięciu bramki (brak składowej zmiennej UBS –
nie występuje efekt podłoża) – pomijamy źródło gmb Ubs
17
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory MOSFET – częstotliwość odcięcia fT
fT – częstotliwość odcięcia (cut-off) wyznaczana przy Iwe = gmUgs , tj. przy zwartym wyjściu
Cgd
Iwe
Id
G
D
Ugs
Cgs
Cgb
gmUgs
gds
Cdb
S
S
fT =
gm
2π (C gs + C gd + C gb )
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Typowe dane katalogowe
BF245B (tranzystor złączowy
kanał n zubożany – małej mocy)
IRF530 (tranzystor MOS typu n
wzbogacany – dużej mocy)
Parametry graniczne
Napięcie D-S
UDS max
Prąd D
ID max
25 mA
10 A
Napięcie G-S
UGS max
-30 V
±20 V
Moc strat
Ptot
300 mW
75 W
30 V
100 V
Parametry charakterystyczne
Napięcie progowe
UP
-1,5 ... –4,5 V
1,5 ... 3,5 V
Prąd D przy UGS=0
IDSS
6 ... 15 mA
0.25 mA
Transkonduktancja
gm
5 mA/V
5 A/V
Prąd G
IG max
5 nA
0,5 mA
Prąd D w st. odcięcia
ID max
10 nA
1 mA
Pojemność wej
CweS
4 pF
750 pF
1,6 pF
300 pF
Pojemność wyj
CwyS
Pole wzmocnienia
fT
700 MHz
18