2011-10-25

1

6. Tranzystor bipolarny

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

1

Tranzystor jest to trójkońcówkowy element półprzewodnikowy zdolny

do wzmacniania sygnałów prądu stałego i zmiennego.

Każdy tranzystor jest zatem wzmacniaczem.

Definicja wzmacniacza: „Wzmacniacz jest przyrządem (urządzeniem)
umożliwiającym sterowanie większej mocy mniejszą mocą”.

Nazwa tranzystor wywodzi się z języka angielskiego: TRANSfer resISTOR,

co oznacza element transformujący rezystancję.

Termin bipolarny oznacza, że istotną rolę w działaniu tego przyrządu

odgrywają jednocześnie oba rodzaje nośników (dziury i elektrony)

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

2

Odkrycia tranzystora dokonano w 1948 roku
Na zdjęciu: amerykańscy fizycy, którzy w 1956 roku podzielili się Nagrodą
Nobla za odkrycie tranzystora: siedzi William Shockley, stoją od lewej John
Bardeen i Walter Brattain z Bell Laboratories

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

3

2011-10-25

2

.

Dwie struktury tranzystora bipolarnego i ich symbole elektryczne stosowane na
schematach a) tranzystor n-p-n, b) tranzystor p-n-p

Końcówki tranzystora: E - emiter, B - baza, C - kolektor.

Tak samo nazwano obszary (warstwy) półprzewodnika sąsiadujące ze sobą w
jego strukturze.

Emiter jest pierwszą warstwą, która dostarcza nośników mniejszościowych

(emituje) do drugiej warstwy tj. bazy. W bazie przebiegają podstawowe
(bazowe) procesy transmisji. Trzecia warstwa - kolektor - zbiera te nośniki,
które zostały wstrzyknięte z emitera do bazy i zdołały dotrzeć do kolektora.

Tranzystor posiada dwa złącza p-n. Są to złącza baza - emiter (złącze B-E) i
baza - kolektor (złącze B-C).

!!!!

!!!!

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

4

Dwie struktury tranzystora bipolarnego i ich symbole elektryczne stosowane na
schematach a) tranzystor n-p-n, b) tranzystor p-n-p

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

5

Rozkład koncentracji domieszek w
tranzystorze stopowym N

DA

=N

D

-N

A

,

gdzie: N

D

- koncentracja domieszek

donorowych, N

A

- koncentracja

domieszek akceptorowych

Pierwsze tranzystory produkowane na masową skalę były stopowe
(wtopienie z dwóch stron w kryształ półprzewodnika o określonym typie
przewodnictwa materiału o przeciwnym typie przewodnictwa).
Charakteryzowały się równomiernym rozkładem koncentracji domieszek
w bazie.
Były to tranzystory z jednorodną bazą.

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

6

2011-10-25

3

Współcześnie wytwarzane tranzystory wykonywane są technologią planarną.

Technologia planarna (inaczej płaszczyznowa) obejmuje zespół procesów
technologicznych, w których zawsze występują trzy podstawowe operacje:
maskowanie podłoża krzemowego warstwą tlenku SiO

2

, fotolitografia

i domieszkowanie lokalne

Tranzystory mają nierównomierny rozkład koncentracji domieszek w bazie,
co istotnie wpływa na działanie i właściwości.
Tworzy się wbudowane pole elektryczne przyspieszające ruch nośników
w bazie.
Są to tzw. tranzystory z niejednorodną bazą inaczej dryftowe.

Rozkład koncentracji domieszek w
tranzystorze planarnym N

DA

=N

D

-N

A

,

gdzie: N

D

- koncentracja domieszek

donorowych, N

A

- koncentracja domieszek

akceptorowych

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

7

rozpływ prądów w tranzystorze

Złącze baza-emiter (B-E) jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia,
a złącze baza-kolektor (B-C) w kierunku zaporowym. Jest to praca w
tzw. obszarze aktywnym

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

8

Wskutek polaryzacji złącza B-E w kierunku przewodzenia z emitera do bazy są
wstrzykiwane elektrony.
W bazie istnieje wbudowane pole elektryczne E

wb

.

Elektrony wstrzyknięte z emitera do bazy są unoszone przez to pole w kierunku
kolektora.
Po przejściu przez bazę elektrony dostają się do warstwy zaporowej złącza B-C,
w której istnieje silne pole elektryczne "wymiatające" te elektrony dalej do
obwodu kolektora.
Elektrony w emiterze są nośnikami większościowymi, więc swobodnie
przechodzą przez złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia (złącze B-E).
Po znalezieniu się w bazie są nośnikami mniejszościowymi i znowu istnieją dla
nich dogodne warunki do dalszego transportowania.
Złącze B-C to jest spolaryzowane w kierunku zaporowym, zatem łatwo
transportowane są nośniki mniejszościowe, a takimi są elektrony, które
przebyły drogę z emitera poprzez bazę do złącza B-C.
Stad złącze B-C natychmiast przechwytuje elektrony, przenosząc do obszaru
kolektora.

omówienie rozpływu prądów w tranzystorze

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

9

2011-10-25

4

Nie wszystkie elektrony, które zostały wstrzyknięte do bazy przez złącze B-E
dotrą do złącza B-C. Cześć z nich rekombinuje w bazie.
Ubytek dziur spowodowany rekombinacją musi być uzupełniany przez dopływ
nośników do bazy.
Z zewnętrznego obwodu bazy wpływa prąd uzupełniający straty ładunku
dodatniego.

podstawowe równanie dotyczące prądów w tranzystorze

I

I

I

E

B

C











I

I

I

E

B

C





obowiązuje również dla małych przyrostów prądu

omówienie rozpływu prądów w tranzystorze c.d.

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

10



0



I

I

C

E

 




I

I

C

E

współczynniki wzmocnienia prądowego

współczynnik wzmocnienia prądowego dla prądu stałego w
konfiguracji pracy wspólnej bazy WB

współczynnik wzmocnienia prądowego dla składowych zmiennych w
konfiguracji pracy WB

Najczęściej



0

0 980 0 995





,

,

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

11



0



I

I

C

B

 




I

I

C

B

współczynnik wzmocnienia prądowego dla prądu
stałego w konfiguracji pracy wspólnego emitera WE

współczynnik wzmocnienia prądowego dla
składowych zmiennych w konfiguracji pracy WE

związki pomiędzy współczynnikami wzmocnień

prądowych w konfiguracjach WB i WE













0

0

0

1

1













0

0

0 98

0 98 1 0 98

50









,

,

,

/ (

,

)





0

0

0 995

0 995 1 0 995

200









,

,

,

/ (

,

)

współczynniki wzmocnienia prądowego c.d.

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

12

2011-10-25

5

Zakresy pracy tranzystora

Zakres pracy

(stany tranzystora)

Polaryzacja złącza

B-E B-C

aktywny przewodzenia

zaporowo

nasycenia przewodzenia

przewodzenia

zatkania zaporowo

zaporowo

inwersyjnie aktywny

zaporowo

przewodzenia

V

C

>V

B

>V

E

dla tranzystora n-p-n

V

C

<V

B

<V

E

dla tranzystora p-n-p

rozkład potencjałów tranzystora w zakresie aktywnym

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

13

Konfiguracje pracy tranzystora

WB konfiguracja wspólnej bazy,

wejście sygnału jest między emiterem a bazą a wyjście pomiędzy

kolektorem a bazą; baza jest elektrodą wspólną;

WE konfiguracja wspólnego emitera,

wejście sygnału jest pomiędzy bazą a emiterem a wyjście pomiędzy

kolektorem a emiterem, emiter jest elektrodą wspólną;

WC konfiguracja wspólnego kolektora

wejście sygnału jest pomiędzy bazą a kolektorem, wyjście pomiędzy

emiterem a kolektorem, kolektor jest elektrodą wspólną.

14

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

Charakterystyki statyczne

równania impedancyjne równania admitancyjne równania mieszane

























U

f I I

I

U U

U

I U

U

f I I

I

U U

I

I U

1

1

2

1

1

2

1

1

2

2

1

2

2

1

2

2

1

2













,

,

,

,

,

,

równania mieszane najdokładniej
odzwierciedlają rzeczywiste warunki
pracy tranzystora bipolarnego
(sterowanie prądowe na wejściu,
sterowanie napięciowe na wyjściu)

15

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

2011-10-25

6

Na podstawie równań mieszanych można określić cztery rodziny
charakterystyk statycznych:

- charakterystyki wejściowe U

1

=f(I

1

) przy U

2

=const,

- charakterystyki zwrotne U

1

=f(U

2

) przy I

1

=const,

- charakterystyki przejściowe I

2

=f(I

1

) przy U

2

=const,

- charakterystyki wyjściowe I

2

=f(U

2

) przy I

1

=const

 

U

f I

BE

B U

const

CE









U

f U

BE

CE I

const

B





 

I

f I

C

B U

const

CE









I

f U

C

CE I

const

B





- charakterystyka wejściowa,

- charakterystyka zwrotna

- charakterystyka przejściowa

- charakterystyka wyjściowa

charakterystyki statyczne dla konfiguracji WE

16

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

 

U

f I

BE

B U

const

CE









U

f U

BE

CE I

const

B





 

I

f I

C

B U

const

CE









I

f U

C

CE I

const

B





17

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

Ograniczenia obszaru pracy tranzystora

18

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

2011-10-25

7

Maksymalna moc admisyjna P

a

Moc admisyjna tranzystora - maksymalna wartość iloczynu prądu
kolektora I

C

i napięcia kolektor-emiter U

CE

przy którym tranzystor

może pracować w sposób długotrwały.

Krzywa mocy admisyjnej w polu charakterystyk wyjściowych jest
hiperbolą I

C

=P

a

/U

CE

(hiperbola mocy admisyjnej).

19

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

Maksymalny prąd kolektora I

Cmax

Prąd maksymalny I

Cmax

jest ograniczeniem wynikającym ze

zmian współczynnika wzmocnienia prądowego. Dla dużych
prądów kolektora następuje spadek wartości współczynnika
wzmocnienia prądowego do poziomów nie akceptowanych w
zastosowaniach tranzystora.
Uwaga:
ograniczenie nie wynika z nadmiernej ilości ciepła
wydzielanego w tranzystorze (wartość I

Cmax

jest mniejsza niż

wartość wynikająca z równania hiperboli mocy admisyjnej).

20

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

Maksymalne napięcie kolektor-emiter U

CEmax

Ograniczenie spowodowane zjawiskiem przebicia tranzystorów.

Przebicie Zenera dotyczy złączy emiter-baza, gdyż są to złącza silnie
domieszkowane.
Przebicie skrośne dotyczy obszaru bazy i polega na tym, że wskutek
rozszerzania się warstwy zaporowej złącza baza-kolektor warstwa ta
„wchłonie” cały obszar bazy. Wtedy to nośniki wstrzykiwane przez emiter
odbierane są od razu przez kolektor i prąd gwałtownie rośnie. Przebicie
to jest możliwe tylko w tranzystorach przy cienkiej bazie.
Przebiciu lawinowemu ulegają najczęściej złącza baza-kolektor.

21

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

2011-10-25

8





I

I

CE

CB

0

0

0

1







Prąd zerowy I

CE0

Prąd zerowy I

CE0

jest to prąd w obwodzie emiter-kolektor przy prądzie bazy

I

B

=0.

Związek tego prądu z prądem I

CB0

:

Jest to prąd graniczny między obszarem aktywnym a obszarem zatkania
tranzystora

22

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

Napięcie nasycenia U

CEsat

Napięcie nasycenia U

CEsat

jest wartością ograniczającą minimalne

wartości napięcia U

CE

przy pracy tranzystora w obszarze

aktywnym. Rozgranicza ono zakres aktywny i zakres nasycenia
tranzystora.

Ogólnie definiując: napięcie U

CEsat

jest to napięcie kolektor-emiter

U

CE

zmierzone przy określonym prądzie kolektora i prądzie bazy

spełniającym warunek nasycenia

I

I

B

C







0

23

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

Ograniczenia częstotliwościowe tranzystora

Tranzystor nie ma ograniczeń w przenoszeniu sygnału w dolnym
zakresie częstotliwości a w górnym zakresie ma ograniczenia
definiowane jako częstotliwości graniczne

Charakterystyka częstotliwościowa zmian modułu współczynnika
wzmocnienia prądowego z zaznaczeniem częstotliwości granicznych

24

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6

2011-10-25

9

f



częstotliwość, przy której moduł współczynnika wzmocnienia prądowego
w konfiguracji WB maleje o 3 dB

f



częstotliwość, przy której moduł współczynnika wzmocnienia prądowego
w konfiguracji WE maleje o 3 dB

T

f



częstotliwość, przy której moduł współczynnika wzmocnienia prądowego
w konfiguracji WE równa się jedności

częstotliwość graniczna

częstotliwość graniczna

częstotliwość graniczna





25

Wojciech Wawrzyński – Wykład z przedmiotu Podstawy Elektroniki - wykład 6