Wykłd 8 - skaczmarek.zut.edu.pl

TRANZYSTORY BIPOLARNE SMK WYKŁAD 8
Na pdstw.: W. Marciniak, WNT 1978, „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”
Tranzystor – element transformujący rezystancję (trioda – 1948 Bardeen, Bratain –
tranzystor ostrzowy). Tranzystor warstwowy = tranzystory bipolarne o strukturze p-n-p lub
n-p-n, w których istotną rolę odgrywają dziury i elektrony. Shockley – tranzystor unipolarny
(trioda półprzewodnikowa) – istotną rolę odgrywa jeden rodzaj nośników. Tranzystor polowy
(FET).
Tranzystor – co najmniej trójkońcówkowy element półprzewodnikowy zdolny do
wzmacniania sygnałów prądu stałego i zmiennego = wzmacniacz (przyrząd umożliwiający
sterowanie większej mocy mniejszą).
Tranzystor – wzmacniacz stosowany do liniowego zwiększania mocy sygnału, jak i
nieliniowego, dyskretnego (skokowego lub kluczującego) sterowania mocy:
- bipolarne
- unipolarne
- jednozłączowe (specjalne)
- tyrystory (specjalne)
1. Podstawowa struktura tranzystora bipolarnego
a). Struktura n-p-n. Polaryzacja złącza pierwotnego w kierunku przewodzenia powoduje
wstrzykiwanie nośników (elektronów) z obszaru N do P będącego wspólną bazą obu złączy.
Elektrony dostarczane do obszaru P jako nośniki mniejszościowe biorą udział w prądzie Is
drugiego złącza spolaryzowanego w kierunku zaporowym. W ten sposób obwód wyjściowy
ma cechy sterowanego źródła prądowego (wszelkie zmiany prądu płynącego przez pierwsze
złącze powodują proporcjonalne zmiany prądu Is drugiego złącza).
1
b). Struktura p-n-p. Pierwsze złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia wstrzykuje
dziury do obszau N, skąd są one odbierane przez drugie złącze spolaryzowane w kierunku
zaporowym.
Trzy kolejne warstwy tranzystora nazywane są:
- emiter – pierwsza warstwa, która dostarcza nośników mniejszościowych do drugiej
warstwy,
- baza – druga warstwa,
- kolektor – warstwa zbierająca nośniki wstrzykiwane z emitera do bazy.
2. Konstrukcja i technologia tranzystora bipolarnego
Najważniejsze rodzaje konstrukcji:
- ostrzowe, wyciągane, stopowe, mesa (stopowo-dyfuzyjne), planarne, epitaksjalno-planarne.
Poza epiplanarnymi i stopowymi (duże wartości napięcia przebicia złącza baza-emiter oraz
możliwość realizacji klucza symetrycznego) reszta to historia. Teorię działania tranzystora
bipolarnego wymyślono dla tranzystora stopowego o równomiernym rozkładzie domieszek w
bazie. Przeciwnie, tranzystory epiplanarne mają nierównomierny rozkład domieszek w bazie.
Stąd tranzystory bipolarne:
- tranzystory z jednorodną bazą (bezdryftowe lub dyfuzyjne)
- tranzystory z niejednorodna bazą (dryftowe ze szczątkową dyfuzją) – współcześnie
podstawowy rodzaj
2
Dla działania tranzystora najistotniejsze zjawisko transportu ośników w bazie (dyfuzja lub
unoszenie-dryft). Obie technologie umożliwiają wytwarzanie tranzystorów zarówno p-n-p jak
n-p-n (najczęściej tranzystor Ge stopowy jest typu p-n-p, a krzemowy planarny typu n-p-n.
W bazie tranzystora stopowego NDA=(ND-NA) jest stałe zaś maleje w funkcji x w bazie
tranzystora epiplanarnego.
Tranzystor epiplanarny jest to tranzystor n-p-n (n++,p+,n-n++). Podłoże n++ - bardzo silnie
domieszkowana płytka krzemu o grubości 150 m = nośnik mechaniczny o jak najmniejszej
rezystywności. Na powierzhni podłoża osadza się słabo domieszkowaną warstwę epit. n, w
której wykonuje się obszary emitera i kolektora.
3
W procesie dwukrotnej dyfuzji lokalnej wytwarza się najpierw warstwę p+ (obszar bazy), a
następnie warstwę typu n++ (obszar emitera i kolektora). Po dyfuzji rozkład koncentracji
domieszek jest prawie wykładniczo malejący; koncentracja akceptorów w bazie zmienia się
od 5*1023 m-3 na granicy B-E do ok. 5*1020 m-3 na granicy B-C. następnie naparowuje się
4
metal (Al) na całą powierzchnię płytki, po czym wytrawia się go tak, by powstały ścieżki
metalizacji w obszarach kontaktów z emiterem, bazą i kolektorem.
W ten sposób na jednej płytce jednocześnie wykonuje się kilka tysięcy jednakowych
tranzystorów.
Mikromontaż (po cięciu) – przylutowanie mikropłytki do podstawki odpowiedniej obudowy,
wykonanie cienkim drutem (Au, 25 m) połączeń pól kontaktowych z przepustami i
hermetyczne zamknięcie obudowy.
3. Podstawowe zasady funkcjonowania tranzystora bipolarnego.
Przy polaryzacji złącza EB w kierunku przewodzenia i złącza BC w kierunku zaporowym
tranzystor spełnia rolę elementu czynnego. Obraz zjawisk w takim tranzystorze przedstawia
rys. 5.11:
Wskutek polaryzacji złącza EB (kier. Przewodzenia) z emitera do bazy wstrzykiwane są
elektrony. W bazie istnieje tzw. wbudowane pole elektryczne (nierównomierny rozkład
koncentracji domieszek E→C), przeciwdziałające dyfuzji dziur skierowane od potencjału
dodatniego przy C do potencjału ujemnego przy E. Elektrony z emitera są unoszone przez
Ewb w kierunku kolektora. Po przejściu przez bazę dostają się one do warstwy zaporowej
złącza BC, w której istnieje silne pole wymiatające te elektrony do obwodu kolektora.
Strumień elektronów wstrzykiwanych z emitera do bazy – prąd emitera w obwodzie
wejściowym; strumień elektronów odbieranych przez kolektor = strumieniowi elektronów
wstrzykiwanych przez emiter = f1(UEB), ≠f2(UCB) => IC=IE, współczynnik wzmocnienia
prądowego N=Io/II=1.
Tranzystor jest spolaryzowany z baterii UEE i UCC (powodują przepływ prądów IE i IC), w
obwodzie wejściowym włączone jest źródło eg małego sygnału sinusoidalnego ie o
5
amplitudzie Iem, który powoduje przepływ prądu sinusoidalnego ic o amplitudzie Icm w
obwodzie wyjściowym. Moc sygnału sinusoidalnego na wejściu i wyjściu tranzystora:
2
2
Pi  I em
ri ; Po  I cm
RL
Maksimum mocy w obciążeniu – spełnienie warunku dopasowania ro=RL,
2
Po I cm
r
r
r
kp 
 2 o 2 o  o
Pi I em ri
ri ri
ro/ri wynosi kilka tysięcy, gdyż ri jest małą rezystancją przyrostową złącza EB
spolaryzowanego w kier. Przewodzenia, ro – bardzo duża rezystancja przyrostowa złązca BC
spolaryzowanego w kier. Zaporowym – kilkaset k. Tak więc tranzystor jest elementem
transformującym rezystancję i wzmacniaczem mocy.
Dokładniejszy model zjawisk wewnątrz tranzystora musi uwzględniać rekombinację
nośników w bazie. W obszarze bazy słuszna jest zasada obojętności elektrycznej całego jej
obszaru.
Jeśli w pewnej chwili z emitera do bazy wpływa 100 elektronów to ładunek ujemny
tych elektronów przyciąga z najbliższego sąsiedztwa 100 dziur. Niedomiar tych dziur w
sąsiedztwie uzupełaniany jest przez przepływ dziur z następnych obszarów bazy, aż 100 dziur
wpływa z obwodu zewnętrznego prze elektrodę bazy. Proces równoważenia się ładunków w
bazie zachodzi w czasie =10-11...10-13 s (natychmiast).
Jeśli z emitera do bazy wpływa 100 elektronów, a szybkość rekombinacji par elektrondziura =1para/s, to w pierwszej sekundzie z emitera do bazy wpływa 100 el. i w tym samym
czasie przez elektrodę bazy do obwodu zewnętrznego wypływa 100 el. (do obszaru bazy
wpływa 100 dziur). Tak, więc w chwili włączenia tranzystora IE=IB – stan nieustalony.
Stan ustalony – w 1 s z emitera wpływa do bazy 100 el., wypływa 99 elektronów do
kolektora, jeden elektron rekombinuje z dziurą. Prąd kolektora w stanie ustalonym < prądu
emitera. Z zewnętrznego obwodu do bazy wpływa strumień dziur uzupełniających straty
ładunku dodatniego spowodowane rekombinacją – prąd bazy IB.
Podstawowe równania prądów w tranzystorze:
I E  I B  I C I E  I B  I C bilans obowiązujący tranzystory n-p-n oraz p-n-p.
tranzystor tym lepszy (większe wzmocnienie) im mniej nośników rekombinuje w bazie. W
dobrym tranzystorze:
IC≤IE; IB<<IC; IB<<IE
Współczynnik wzmocnienia prądowego =IC/IE<1 (0.98...0.995), N=IC/IB; =IC/IB;
=/(1+); =/(1-).
Dalsze uściślenia modelu zjawisk zachodzących w tranzystorze wynikają z
uwzględnienia dodatkowych składowych prądów emitera i bazy:
6
IpE – składowa prądu dyfuzji dziur z bazy do emitera gdzie rekombinują z elektronami
(jednakowy wkład do prądu emitera i prądu bazy; tylko w złączu niesymetrycznym n ++-p+
strumień dyfuzji dziur z bazy do emitera << strumienia dyfuzji elektronów z emitera do
bazy),
IrEB – składowa prądu rekombinacji w obszarze warstwy zaporowej EB
ICB0 – w tranzystorze krzemowym prąd nośników mniejszościowych generowanych w
warstwie zaporowej złącza CB. Para elektron-dziura jest wymiatana; elektron podąża do
kolektora, dziura do bazy. Prąd ten dodaje się do prądu kolektora, a odejmuje od prądu bazy.
W obwodzie kolektora płynie prąd:
IC=NIE+ICB0,
W obwodzie bazy:
IB=IrB+IrEB+IpE-ICB0.
Wzmocnienie tranzystora:
N=(IC-ICB0)/IE, N=(IC-ICB0)/(IB+ICB0)
7
4. Rozkład nośników nadmiarowych w bazie
Szerokość efektywna bazy, WB – odległość pomiędzy prawą krawędzią warstwy zaporowej
EB i lewą krwędzią warstwy zaporowej CB. Równanie prądu elektronów w bazie:
J n  q n nb E  qDn dnb / dx (*) (składowe unoszenia i dyfuzji)
a) jeśli pominiemy składową dyfuzyjną – tranzystor dryftowy - J n  q n nb E
W stanie ustalonym: Jn=const=JE
1 dN A
kT
EWb  T
; T 
N A dx
q
N A ( x)  N A (0) exp( x / WB );   ln[ N A (0) / N A (WB )]
EWb  T / WB ; nb  
J nWB
stala wartosc w calej bazie
q nT
nb | J n | WB / qDn
b) jeśli pominiemy składową unoszenia – tranzystor bezdryftowy
J n  qDn dnb / dx
nb ( x) 
Jnx
 C ; C  nb (0)  nb (WB )  0
qDn
nb (WB ) 
J nWB
JW
 C  0; C   n B
qDn
qDn
nb ( x) | J n | (WB  x) / qDn  nb (0)(1  x / WB )
ni2
exp(U EB / T )
N A (0)
Porównajmy koncentrację w obu typach tranzystorów dla jednakowego prądu bazy:
nb ( x) |dyf   (1  x / WB )nb ( x) |dryft ; dla x  0 :
nb (0)  n p 0 (0) exp U EB / T 
nb (0) |dyf  nb (0) |dryft ; dla nb (0)  const : J n |dryft  J n |dyf
W porównywalnych tranzystorach bezdryftowym i dryftowym (jednakowe koncentracje
domieszek w emiterze i bazie dla x=0), przy jednakowych napięciach UEB prąd emitera jest 
razy większy w tranzystorze dryftowym.
Liniowa zależność nb(x) dla tranzystora z jednorodną bazą (bezdryftowy) ulega tylko
nieznacznej zmianie po uwzględnieniu zjawiska rekombinacji nośników w bazie.
Dokładniejszy rozkład koncentracji nośników nadmiarowych w bazie tranzystora dryftowego
uzyskuje się rozwiązując równanie prądu w postaci ogólnej (unoszenie + dyfuzja).
8
c). unoszenie i dyfuzja
dy
E
 Py  Q; P  ; Q  J n / qDn ; y  nb
dx
T
y ( x)  [(Q / P)(exp( Px  1)  C ] exp(  Px ); C  y (WB )  0;
nb ( x) 
| J n | WB
{1  exp[  (1  x / WB )]} (**)
qDn
Prąd unoszenia przeważa nad prądem dyfuzji. Tylko w obszarze bazy sąsiadującym z
kolektorem prąd dyfuzji odgrywa istotną rolę.
5. Współczynnik wzmocnienia prądowego, N
Znając rozpływ prądów w tranzystorze można określić zależność współczynnika
wzmocnienia prądowego N od parametrów materiałowych i punktu pracy:
I
I I
 N  C  C nE ; I nE  prad elektronow na poczatku bazy;  e  I nE / I E ;  b  I C / I nE
I E I nE I E
e – współczynnik sprawności wstrzykiwania emitera (jaka część całkowitego prądu emitera
stanowi strumień nośników wstrzykiwanych do obszaru bazy),
b – współczynnik transportu (rekombinacji w bazie) – jaka część strumienia elektronów
wstrzykiwanych do bazy jest odbierana przez kolektor.
9
D p N ABWB (1  e  )
I nE
I nE
1
 N   e  b ;  e 

 (1  K  L) ; K 
;
IE
I nE  I pE  I rEB
Dn N DEWE
L
U
1 N ABWBWEB (1  e  )
exp(  EB )
2
ni Dn
2T
(* * *)
Wnioski:
- pożądane jest, aby e~1 (e<1), czyli K+L<<1
= składnik L (prąd rekombinacji w w.z. EB) ma znaczenie dla małej wartości ni dla
tranzystora krzemowego. Silnie zależy od UEB - e rośnie z UEB czyli z prądem emitera. Dla
dużych IE L można pominąć w porównaniu z K.
= składnik K zależy od NAB/NDE, pożądane jest aby NAB<<NDE (dlatego emiter jest bardzo
silnie domieszkowany – NDE=1026 m-3, NAB=5*1023 m-3).
Składniki K, L są tym mniejsze im większa jest wartość współczynnika  (około 7).
W tranzystorach z jednorodną bazą (bezdryftowy) =0, (1-exp(-))/|=0=1 – brak pola
wbudowanego wpływa niekorzystnie na wartość współczynnika e.
- b=IC/InE=IC/(IC+IrB); definiując Qb – ładunek nośników nadmiarowych w bazie, tb = Qb/IC;
r = Qb/IrB : b = r/(r + tb)
= gdyby nie było rekombinacji w bazie to prąd IC spowodowałby w czasie tb usunięcie całego
ładunku Qb zmagazynowanego w bazie. tb – czas przelotu nośników przez bazę.
= gdyby został przerwany przepływ prądów IC, IE (brak wymiany ładunku bazy z kolektorem
i emiterem) wówczas ładunek Qb malałby w funkcji czasu wskutek rekombinacji nośników.
r – czas życia nośników (10-6...10-9 s).
= w każdym tranzystorze tb<<r; b~1 (<=1)
(Jeżeli przelot przez bazę jest 100 razy szybszy niż ich rekombinacja to na 100 elektronów
wstrzykniętych do bazy (InE) 99 dotrze do kolektora (IC) a jeden zrekombinuje w bazie z
dziurą (IrB))
= r - parametr materiałowy, tb – zależy od konstrukcji tranzystora
Rysunek 5.21 przedstawia zależność współczynnika wzmocnienia prądowego od prądu
emitera.
Początkowy wzrost N związany jest z coraz lepszą sprawnością wstrzykiwania emitera w
miarę wzrostu prądu emitera. W zakresie dużych prądów wzmocnienie maleje wskutek
zmniejszania się wartości współczynnika b (duży ładunek nośników wstrzykiwanych do
bazy wytwarza pole elektryczne kompensujące pole Ewb, unoszenie nośników jest coraz
10
słabsze i rośnie czas przelotu). W tranzystorach wysokoczęstotliwościowych zwiększanie się
czasu przelotu – wzrost efektywnej szerokości bazy – efekt Kirka.
6. Zakresy pracy i układy włączania tranzystora bipolarnego
Opis funkcjonalny – zestaw równań wiążących napięcia i prądy na końcówkach elementu.
Ogólne relacje pomiędzy potencjałami poszczególnych elektrod tranzystora:
UC>UB>UE dla tranzystora n-p-n
UC<UB<UE dla tranzystora p-n-p
Napięcie baza-emiter typowo (złącze p-n spolaryzowane w kier. Przewodzenia) 0.2-0.4 V dla
Ge oraz 0.6-0.8 V dla Si.
W wielu układach (impulsowych) tranzystor może pracować przy innych warunkach
polaryzacji = cztery warianty polaryzacji = cztery zakresy pracy tranzystora:
- złącze EB kier. przew.
złącze BC kier. zaporowy...zakres aktywny normalny
- złącze EB kier. przew.
złącze BC kier. przew...zakres nasycenia
- złącze EB kier. zapor.
złącze BC kier. zapor....zakres zatkania
- złącze EB kier. zapor.
złącze BC kier. przew...zakres aktywny inwersyjny (emiter kolektorem, kolektor emiterem)
11
Konfiguracja tranzystora (baza jedną z końcówek wejściowych, kolektor jedną z końcówek
wyjściowych):
- wejście E,B, wyjście B,C – układ ze wspólną bazą (WB)
- wejście B,E, wyjście E,C – układ ze wspólnym emiterem (WE)
- wejście B,C, wyjście C,E – układ ze wspólnym kolektorem (WC)
Schemat działania tranzystora: „Elektrony wstrzykiwane są z emitera do bazy...” obowiązuje
niezależnie od układu włączenia. Różnice charakterystyk i parametrów w poszczególnych
układach włączenia są skutkiem różnych punktów widzenia.
IE=IC+IB, N=IC/IE, N=IC/IB
WB:
WP=IC/IE=N
WE:
WP=IC/IB=N
WC:
WP=IE/IB=(IC+IB)/IB=N+1
Wzmocnienie prądowe zmienia się w zależności od układu włączenia od N do N+1 czyli od
jedności do kilkuset.
7. Praca nieliniowa statyczna (modele, charakterystyki, parametry)
12
Opis tranzystorów:
a) schematy zastępcze (dokładna analiza numeryczna),
b) charakterystyki (uproszczona analiza graficzna),
c) kilka podstawowych parametrów (proste obliczenia szacunkowe).
Praca tranzystora:
- nieliniowa (statyczna, dynamiczna)
- liniowa (dla małych sygnałów małej i dużej częstotliwości).
7.1. Modele nieliniowe statyczne
Tranzystor składa się z dwóch złączy połączonych szeregowo przeciwstawnie (n-p, p-n).
Najprostszy model tranzystora – połączenie dwóch diód (rys. 5.26a). Prądy płynące przez te
diody związane są z napięciami:
I dE  I Es [exp(U EB / T )  1]; I dC  I Cs [exp(U CB / T )  1]
Taki model ma sens, gdy wzajemne oddziaływanie złączy jest do pominięcia
(polaryzacja złączy w kier. zaporowym – zakres zatkania).
Gdy tranzystor pracuje w zakresie normalnym, to przez złącze BC płynie nie tylko
prąd wsteczny tego złącza, lecz również prąd nośników wstrzykiwanych przez złącze EB,
czyli prąd NIdE równolegle do diody BC (rys. 5.26b).
W przypadku pracy tranzystora w zakresie nasycenia oraz inwersyjnym kolektor
również wstrzykuje nośniki do bazy, które wpływają na wartość prądu płynącego w złączu
EB (włączenie źródła IIDC równolegle do diody EB. Wzmocnienie inwersyjne I w kierunku
inwersyjnym << mniejsze niż w kierunku normalnym.
Schemat zastępczy Ebers-Molla pokazany na rys. 5.26c jest słuszny dla wszystkich czterech
zakresów pracy. Prądy płynące przez końcówki tranzystora są:
I B  I E  I C ; I E  I Es [exp(U EB / T )  1]   I I Cs [exp(U CB / T )  1];
I C   I Cs [exp(U CB / T )  1]   N I Es [exp(U EB / T )  1]
W modelu Ebersa-Molla wszystkie zależności prądowo-napięciowe można wyznaczyć mając
tylko cztery łatwe do zmierzenia parametry: IEs, ICs, N, I.
13
Ponieważ udowodnili oni, że NIEs = IICs, liczbę parametrów można zmniejszyć do trzech.
Model Ebersa-Molla stosowany jest w dwóch wariantach:
- zmienne niezależne – prądy wstrzykiwane przez emiter i kolektor (model iniekcyjny)
- zmienne niezależne – prądy zbierane przez kolektor i emiter (model transportowy).
I E  I N / N  I I ; IC  I N  I I / I ;
I N   N I Es [exp(U EB / T )  1]; I I   I I Cs [exp(U CE / T )  1]
Dokładność powyższego modelu uproszczonego można zwiększyć uwzględniając:
- zależność współczynników N, I od prądu emitera i kolektora oraz od napięć polaryzacji
obu złączy,
- istnienie rezystancji szeregowych emitera, bazy i kolektora doprowadzeń i obszarów poza
warstwami zaporowymi),
- korekcję zależności wykładniczych przez wprowadzenie współczynnika m≠1:
I  [exp(U / mT )  1]
7.2. Charakterystyki statyczne.
Stan statyczny (punkt pracy) tranzystora traktowanego jako czwórnik nieliniowy opisywany
jest czterema wielkościami: prądem i napięciem wejściowym I1, U1 oraz prądem i napięciem
wyjściowym I2, U2. Zmiana każdej z tych wielkości powoduje zmiany trzech pozostałych.
Istnieje możliwość wyboru dwóch zmiennych niezależnych i obserwacji ich wpływu na
pozostałe dwie = równanie czwórnika (12). Praktyczne znaczenie mają 3 pary rówań:
- impedancyjne:
U1=f(I1, I2); U2=f(I1, I2);
- admitancyjne:
I1=f(U1, U2); I2=f(U1,U2);
- mieszane:
U1=f(I1,U2); I2=f(I1,U2).
Najbardziej dogodny zestaw – równania mieszane.
14
Charakterystyki statyczne – związek wielkości zależnej i jednej z dwóch niezależnych przy
stałej wartości drugiej wielkości niezależnej traktowanej jako parametr.
- charakterystyki wejściowe U1=f(I1) U2=const,
- charakterystyki zwrotne napięciowe U1=f(U2) I1=const,
- charakterystyki przejściowe prądowe I2=f(I1) U2=const,
- charakterystyki wyjściowe I2=f(U2) I1=const
Dla każdej konfiguracji tranzystora WB, WE, WC) wielkości I1, I2, U1, U2 oznaczają zupełnie
inne prądy i napięcia.
a) charakterystyki statyczne w układzie WB
I1=IE, U1=UEB, I2=IC, U2=UCB.
Interesują nas następujące rodziny charakterystyk:
UEB=f(IE,UCB): UEB=f(IE)|UCB – wejściowa, UEB=f(UCB)|IE – zwrotna
IC=f(IE, UCB), IC=f(IE)|UCB – przejściowa, IC=f(UCB)|IE – wyjściowa.
Wszystkie rodziny charakterystyk pokazuje rys. 5.29.
15