tranzystory Wprowadzenie - Politechnika Wrocławska
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