Tranzystor PDF - WordPress.com

Wiadomości podstawowe
Tranzystory są urządzeniami półprzewodnikowymi umożliwiającymi sterowanie
przepływem dużego prądu, za pomocą prądu znacznie mniejszego. Wykorzystuje
się je do wzmacniania małych sygnałów oraz przetwarzania informacji w postaci
cyfrowej. Nazwa "tranzystor" pochodzi z połączenia słów transfer i rezystor.
Poniżej przedstawiony został pierwszy tranzystor, zbudowany w 1948 roku
metodą ostrzową. Jego konstruktorami byli J. Bardeen oraz W.H. Brattain.
Pierwszy tranzystor bipolarny zbudował rok później inny amerykański fizyk W.B. Shockley. Cała ta trójka za wynalezienie tranzystora otrzymała w 1956 roku
Nagrodę Nobla.
Nazwa bipolarne dotyczy tranzystorów, w których transport ładunków odbywa
się za pośrednictwem obu rodzajów nośników jakie istnieją w półprzewodniku, tzn.
elektronów i dziur. Półprzewodniki, w których na skutek nieregularności sieci
krystalicznej przeważają nośniki typu dziurowego nazywa się półprzewodnikami
typu p (niedomiarowymi), gdy przeważają nośniki elektronowe nazywa się je
półprzewodnikami typu n (nadmiarowymi).
Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów półprzewodnika o
przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje powstanie dwóch złączy: p-n i n-p.
Istnieją dwie możliwe konfiguracje złączy p-n i n-p prowadzące do powstania
dwóch rodzajów tranzystorów bipolarnych.
Symbole graficzne tranzystorów npn i pnp oraz ich diodowe modele zastępcze.
Zasada działania
Zasada działania tranzystora bipolarnego omówiona zostanie na podstawie
tranzystora NPN:
Przepływ prądu w tranzystorze npn
Przez złącze BE tranzystora npn przepływają nośniki większościowe ładunku, w
tym przede wszystkim elektrony swobodne z emitera (typ n) do bazy. Również
dziury z obszaru bazy (typ p) przepływają przez złącze do emitera. Prąd dziurowy
jest znacznie mniejszy ze względu na mniejszą liczbę dziur, wynikającą z mniejszej
objętości emitera. Mniejsza część elektronów swobodnych po osiągnięciu obszaru
bazy wypełnia istniejące tam dziury, czyli podlega procesowi rekombinacji.
Znacznie większa część elektronów swobodnych po znalezieniu się w obszarze
bazy jest przyciągana przez kolektor i przepływa przez złącze BC spolaryzowane
zaporowo, tak jak własne nośniki mniejszościowe bazy. Wypływające z emitera
elektrony swobodne tworzą prąd emitera IE, który rozdziela się w obszarze bazy na
mały prąd bazy IB i duży prąd kolektora IC.
Podstawowe parametry
tranzystora
Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza. Miarą
tego na ile prąd kolektora odpowiada prądowi emitera jest
współczynnik  nazywany zwarciowym współczynnikiem wzmocnienia
prądowego prądu emitera (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w
układzie WB), definiowany jako:
 = (IC-IC0)/IE
gdzie IC0 jest prądem złącza kolektorowego spolaryzowanego zaporowo przy
IB=0.
Konstrukcja tranzystora bipolarnego, a głównie małe rozmiary bazy sprawiają,
że stosunek między prądem kolektora, a prądem bazy jest stały. Stosunek IC/
IB nazywa się współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu bazy
(współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WE) i oznacza się
symbolem .
IE = IC + IB
IC = IB
Zależność pomiędzy obydwoma współczynnikami opisuje równanie:
 =  / (1-)
Stały stosunek IC/ IB oznacza, ze pewnej wartości prądu bazy IB odpowiada
określona wartość prądu kolektora IC. Można zatem zmieniać prąd bazy po to aby
uzyskiwać -krotnie większe zmiany prądu kolektora. Uzyskuje się zatem
wzmocnienie przez tranzystor mocy sygnału sterującego. Większą moc sygnału w
obwodzie kolektora otrzymuje się kosztem mocy czerpanej z zasilacza.
Dla sygnałów zmiennoprądowych o małych amplitudach tranzystor jest
czwórnikiem liniowym. Czwórnik opisywany jest za pomocą czterech wielkości
wyrażających napięcia i prądy na jego wejściu i wyjściu. Aby móc opisać go za
pomocą układu równań dwóch zmiennych należy dwie z czterech wielkości
czwórnika opisać za pomocą dwóch pozostałych. W zależności od tego, które ze
zmiennych uznane zostaną za zmienne zależne, a które za zmienne niezależne
otrzymać można 6 różnych układów równań. Najczęściej wykorzystywane są
jednak układy z parametrami:
a) impedancyjnymi:
U1 = z11I1 + z12I2
U2 = z21I1 + z22I2
b) admitancyjnymi:
I1 = y11U1 + y12U2
I2 = y21U1 + y22U2
c) mieszanymi h (układ z parametrami hybrydowymi):
U1 = h11I1 + h12U2
I2 = h21I1 + h22U2
Wykorzystane w tych równaniach parametry h, mają następujący sens fizyczny:
- impedencja wejściowa przy zwartym
wyjściu;
- współczynnik sprzężenia zwrotnego przy
rozwartym wyjściu;
- współczynnik sprzężenia prądowego przy
zwartym wyjściu;
- admitancja wyjściowa przy rozwartym
wyjściu
Tranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają charakterystyczne
dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których przekroczenie grozi
uszkodzeniem tranzystora. Są to:
UEBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
UCBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
UCEOmax - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
Icmax - maksymalny prąd kolektora
IBmax - maksymalny prąd bazy
Pstmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry takie jak Icmax, UCEOmax, Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy,
który nosi również nazwę "dozwolonego obszaru pracy aktywnej" w skrócie SOA
(Safe Operating Area).
Na poniższym wykresie charakterystyki wyjściowej tranzystora pokazano
przykład dozwolonego obszaru pracy tranzystora:
Oprócz parametrów granicznych w katalogach podawane są również często i
inne parametry. W poniższej tabelce podane zostały parametry dla przykładowych
tranzystorów.
Parametry tranzystorów bipolarnych w znacznym stopniu zależą również od
temperatury. Prąd zerowy ICBO jest w przybliżeniu wykładniczą funkcji
temperatury i przy jej wzroście o 10K w przybliżeniu podwaja swoją wartość.
Tranzystory krzemowe - ze względu na małą wartość ICBO - mogą być stosowane
aż do temperatury ok. 473 K (200 C). Współczynnik wzmocnienia prądowego
wzrasta na ogół ze wzrostem temperatury. Wzrost ten jest rzędu kilku procent na
stopień kelwina. Przy stałej wartości prądu bazy, napięcie baza-emiter UBE za
wzrostem temperatury maleje.
Sposoby polaryzacji
tranzystora
Tranzystor składa się z dwóch złączy PN, które mogą być spolaryzowane w
kierunku zaporowym lub przewodzenia. W związku z tym można wyróżnić cztery
stany pracy tranzystora.
Stan tranzystora
Kierunki polaryzacji złączy tranzystora
Złącze emiter-baza Złącze kolektor-baza
Zatkanie
Zaporowy
Zaporowy
Przewodzenie aktywne
Przewodzenia
Zaporowy
Nasycenie
Przewodzenia
Przewodzenia
Przewodzenie inwersyjne Zaporowy
Przewodzenia
Najważniejszym z tych nich jest obszar pracy aktywnej, gdyż to właśnie w tym
obszarze tranzystor wykazuje swoje właściwości wzmacniające, które są
wykorzystywane praktycznie.
Tranzystor pracujący w układach analogowych musi być w stanie aktywnym, a
w układach cyfrowych - w stanach zatkania lub nasycenia.
Układy pracy tranzystora
Tranzystor jako element trójkońcówkowy, czyli trójnik może być połączony w
układzie elektronicznym w rozmaity sposób. W matematycznym opisie tranzystora
- trójnika - traktuje się go zwykle jako czwórnik, przyjmując jedną z końcówek
jako wspólną dla wejścia i wyjścia. W zależności od tego, którą z końcówek
wybieramy za wspólną, rozróżnia się konfiguracje:
1. Układ ze wspólnym emiterem OE (WE)
2. Układ ze wspólną bazą OB. (WB)
3. Układ ze wspólnym kolektorem OC (WC)
Wybór układu pracy jest zależny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora.
Tranzystor pracujący w układzie OE jest najczęściej używany w układach elektronicznych
ponieważ charakteryzuje się:
-dużym wzmocnieniem prądowym
- dużym wzmocnieniem napięciowym
- dużym wzmocnieniem mocy
Napięcie wejściowe w OE jest odwrócone w fazie o 180 st. W stosunku do napięcia
wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset , a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt
k .
Tranzystor pracujący w układzie OB. ma:
- małą rezystancję wejściową
- bardzo dużą rezystancje wyjściową
- wzmocnienie prądowe bliskie jedności
Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych,
niekiedy nawet rzędu GHz.
Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się:
- dużą rezystancją wejściową (co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej
częstotliwości)
- wzmocnieniem napięciowym równym jedności (stąd jest nazywany również wtórnikiem
emiterowym)
- dużym wzmocnieniem prądowym
Podstawowe charakterystyki
Tranzystor pracujący w dowolnym układzie pracy charakteryzują prądy przez niego
płynące i napięcia panujące na jego zaciskach. W związku z tym można określić cztery
rodziny statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych. Które przedstawione zostały na
poniższych rysunkach:
1) Charakterystyka wyjściowa tranzystora, przedstawiająca zależność prądu kolektora IC od
napięcia kolektor-emiter UCE przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter UBE i
stałym prądzie bazy IB. Z charakterystyki tej można stwierdzić iż powyżej pewnego napięcia
prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia UCE, oraz że do wywołania dużej zmiany prądu
kolektora IC wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter UBE
2) Charakterystyka przejściowa przedstawia prąd kolektora IC jako funkcję napięcia bazaemiter UBE, oraz IB =const. Charakterystyka ta ma charakter wykładniczy.
3) Charakterystyka wejściowa opisuje zależność prądu bazy IB od napięcia baza-emiter UBE,
przy stałym napięciu kolektor-emiter UCE. Charakterystyka ta, podobnie jak i następna jest
wykorzystywana rzadziej od dwóch wcześniejszych.
4) Charakterystyka zwrotna przedstawia zależność prądu kolektora od prądu kolektora IC od
prądu bazy IB, przy UCE=const Widać na niej, że prąd kolektora jest w pewnym stopniu
proporcjonalny do prądu bazy.
Znając charakterystykę wejściową i wyjściową (podawane w katalogach), można
wyznaczyć dwie pozostałe poprzez rzutowanie na oś odpowiednich punktów należących do
znanych charakterystyk. Postać charakterystyki wejściowej i wyjściowej jest taka sama, jak
charakterystyki złącza półprzewodnikowego polaryzowanego odpowiednio w kierunku
przewodzenia i w kierunku zaporowym.
Schematy zastępcze
tranzystora bipolarnego w
różnych układach pracy
Schematy zastępcze tranzystora wykorzystuje się wówczas, gdy należy przeprowadzić
analizę pracy danego układu elektronicznego. Wyboru właściwego schematu dokonuje się w
zależności od wielkości występujących sygnałów. Poniżej przedstawione zostały schematy
zastępcze tranzystorów dla parametrów małosygnałowych, w różnych układach pracy.
W układzie WE (OE):
W układzie WB (OB):
W układzie WK (OC):