Elektronika

Elektronika

wykład 3 – TRANZYSTOR BIPOLARNY

wykład 3 – TRANZYSTOR BIPOLARNY

Lublin, październik 2008

Lublin, październik 2008

Wydział Elektrotechniki i Informatyki

Wydział Elektrotechniki i Informatyki

Politechnika Lubelska

Politechnika Lubelska

Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny

3

Przełącznik
(Elektronika cyfrowa)

TRANZYSTOR

V

+

-

np. mikroprocesor, pamięć

Wzmacniacz
(Elektronika analogowa)

TRANZYSTOR

V

+

-

np. czujnik, radio

Dwa główne zastosowania tranzystorów:

Dwa główne zastosowania tranzystorów:

przełączanie i wzmacnianie

przełączanie i wzmacnianie

Trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający

Trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający

zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego.

zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego.

Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "TRANSfer resISTOR",

Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "TRANSfer resISTOR",

który oznacza element transformujący rezystancję.

który oznacza element transformujący rezystancję.

Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się

Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się

zasadniczo zasadą działania:

zasadniczo zasadą działania:

•

Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest

Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest

funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe).

funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe).

•

Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których

Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których

prąd wyjściowy jest funkcją napięcia (sterowanie

prąd wyjściowy jest funkcją napięcia (sterowanie

napięciowe).

napięciowe).

Tranzystor

Tranzystor

OFF

ON

źródło

źródło

bramka

bramka

zlew

zlew

zlew

zlew

Tranzystor jak kran

Tranzystor jak kran

2 złącza p-n

tranzystory bipolarne (BJT, HBT)

tranzystory bipolarne (BJT, HBT)

p

p

p

p

n

n

BJT =

BJT =

b

b

ipolar

ipolar

j

j

unction

unction

t

t

ransistor

ransistor

HBT =

HBT =

h

h

eterojunction

eterojunction

b

b

ipolar

ipolar

t

t

ransistor

ransistor

Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny

dyfuzja izolacji

warstwa zagrzebana

SiO

2

podłoże

kontakt kolektora

kontakt emitera

kontakt bazy

P+

P

P

N

BJT: Bipolar Junction Transistor

BJT: Bipolar Junction Transistor

HBT: Heterojunction Bipolar Transistor

HBT: Heterojunction Bipolar Transistor

n

+

+

+

oznacza obszar silnie domieszkowany

oznacza obszar silnie domieszkowany

Tranzystor bipolarny w ukł. scalonym

Tranzystor bipolarny w ukł. scalonym

p

n

p

emiter

emiter

kolektor

kolektor

baza

baza

B

C

E

tran

tran

zy

zy

stor

stor

PNP

PNP

B

C

E

emiter

emiter

kolektor

kolektor

baza

baza

n

p

n

t

t

ran

ran

zys

zys

tor

tor

NPN

NPN

Symbol graficzny

Symbol graficzny

Symbol graficzny

Symbol graficzny

Tranzystor bipolarny (BJT)

Tranzystor bipolarny (BJT)

Zasada działania tranzystora

Zasada działania tranzystora

Zasada działania tranzystora

Zasada działania tranzystora

Złącze Emiter-Baza spolaryzowane w kierunku przewodzenia

Złącze Emiter-Baza spolaryzowane w kierunku przewodzenia

Złącze Kolektor-Baza spolaryzowane w kierunku zaporowym

Złącze Kolektor-Baza spolaryzowane w kierunku zaporowym

dla tranzystora N-P-N oznacza to:

dla tranzystora P-N-P oznacza to:

U

EB

<O oraz U

CB

>O (U

BE

>O, U

CE

>O)

U

EB

>O oraz U

CB

<O (U

BE

<O, U

CE

<O)

Polaryzacja normalna

Polaryzacja normalna

dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od

potencjału emitera,
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od
potencjału emitera,

złącze baza-emiter musi być spolaryzowana w kierunku
przewodzenia, a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym,

nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości I

C

, I

B

, U

CE

,

moc wydzielana na kolektorze I

C

· U

CE

, temperatura pracy czy też

napięcie U

BE

.

Polaryzacja normalna

Polaryzacja normalna

W tranzystorze n-p-n płynie głównie prąd elektronowy, zatem - w

W tranzystorze n-p-n płynie głównie prąd elektronowy, zatem - w

pierwszym przybliżeniu - przepływ dziur można zaniedbać.

pierwszym przybliżeniu - przepływ dziur można zaniedbać.

Emiter - pierwsza warstwa, która przez złącze spolaryzowane w

Emiter - pierwsza warstwa, która przez złącze spolaryzowane w

kierunku przewodzenia wstrzykuje nośniki do bazy.

kierunku przewodzenia wstrzykuje nośniki do bazy.

Z cienkiej bazy jako nośniki mniejszościowe odbierane są przez

Z cienkiej bazy jako nośniki mniejszościowe odbierane są przez

złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym (do kolektora).

złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym (do kolektora).

+

-

+

-

U

EB

U

CB

n

n

p

I

E

I

C

I

B

elektrony

elektrony

emiter

baza

kolektor

Zasada działania tranzystora

Zasada działania tranzystora

+

-

V

n-Si

-qV

E

F

E

C

E

V

E

i

U

U

noszenie (dryft)

noszenie (dryft)

Dyfuzja

Prędkość termiczna v

th

Rozkład prędkości w

różnych kierunkach

Dyfuzja w
prawo

Brak dyfuzji
w lewo

Wypadkowy

Wypadkowy

przepływ w prawo

przepływ w prawo

(ujemny gradient)

(ujemny gradient)

Brak wypadkowego

Brak wypadkowego

przepływu elektronów

przepływu elektronów

(dziur) w obszarze o

(dziur) w obszarze o

stałej koncentracji

stałej koncentracji

X

Dyfuzja

Dyfuzja

nośników

nośników

+

-

+

-

U

U

EB

EB

U

U

CB

CB

n

n

n

n

p

p

I

I

B

B

Zasada działania tranzystora

Zasada działania tranzystora

I

I

E

E

=I

=I

B

B

+I

+I

C

C

W całym obszarze bazy istnieje zasada obojętności elektrycznej.

W całym obszarze bazy istnieje zasada obojętności elektrycznej.

UPROSZCZONY PRZYKŁAD: Do bazy wpływa 100 elektronów z emitera -

UPROSZCZONY PRZYKŁAD: Do bazy wpływa 100 elektronów z emitera -

natychmiast (np. 10-

natychmiast (np. 10-

12

12

s) ładunki muszą się zrównoważyć - czyli np. 99 elektronów

s) ładunki muszą się zrównoważyć - czyli np. 99 elektronów

zostanie odebrane przez kolektor, a jeden zrekombinowany z dziurą (dostarczoną

zostanie odebrane przez kolektor, a jeden zrekombinowany z dziurą (dostarczoną

przez prąd bazy)

przez prąd bazy)

p

n

+

n

U

BE

U

CE

OE

U

BC

U

EC

OC

U

EB

U

CB

OB

emiter

baza

kolektor

wspólny emiter

wspólna baza

wspólny kolektor

WE

WB

WC

Układy połączeń

Układy połączeń

Układy połączeń

Układy połączeń

α

α

=

=

Δ

Δ

I

I

C

C

/

/

Δ

Δ

I

I

E

E

Współczynnik wzmocnienia prądowego

Współczynnik wzmocnienia prądowego

Dla większości tranzystorów wartość

Dla większości tranzystorów wartość

α

α

zawiera się w granicach

zawiera się w granicach

od 0,95 do 0,99, czyli praktycznie 1.

od 0,95 do 0,99, czyli praktycznie 1.

β

=

Δ

I

C

/

Δ

I

B

Wartość wzmocnienia beta wynosi nawet do kilkuset.

Wartość wzmocnienia beta wynosi nawet do kilkuset.

Wzmocnienia prądowego

Wzmocnienia prądowego

jest to stosunek sygnału (prądu) wyjściowego do wejściowego

jest to stosunek sygnału (prądu) wyjściowego do wejściowego

Dla

Dla

WB

WB

I

I

C

C

/I

/I

E

E

=

=

α

α

Dla

Dla

WE

WE

I

I

C

C

/I

/I

B

B

=

=

β

β

Dla

Dla

WC

WC

I

I

E

E

/I

/I

B

B

=

=

β

β

+ 1

+ 1

Wzmocnienie prądowe jest różne w zależności

Wzmocnienie prądowe jest różne w zależności

m.in. od zastosowanego układu pracy,

m.in. od zastosowanego układu pracy,

ALE...

ALE...

TRANZYSTOR DZIAŁA ZAWSZE TAK SAMO !!!

TRANZYSTOR DZIAŁA ZAWSZE TAK SAMO !!!

Stan aktywny

Stan aktywny

tranzystora

jest

podstawowym

stanem

pracy

tranzystora

jest

podstawowym

stanem

pracy

wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor

wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor

charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkuset).

charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkuset).

Stany nasycenia i zaporowy

Stany nasycenia i zaporowy

stosowane są w technice impulsowej, jak

stosowane są w technice impulsowej, jak

również w układach cyfrowych.

również w układach cyfrowych.

Stan aktywny inwersyjny

Stan aktywny inwersyjny

nie jest powszechnie stosowanych,

nie jest powszechnie stosowanych,

ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się

ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się

wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m.in.

wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m.in.

mniejszym wzmocnieniem prądowym.

mniejszym wzmocnieniem prądowym.

Obszary pracy tranzystora N-P-N

Obszary pracy tranzystora N-P-N

U

U

BC

BC

U

U

BE

BE

Odcięcie

Odcięcie

(cut-off)

(cut-off)

Polaryzacja

Polaryzacja

odwrotna

odwrotna

(reverse)

(reverse)

Polaryzacja

Polaryzacja

normalna

normalna

(forward)

(forward)

Nasycenie

Nasycenie

(saturation)

(saturation)

Obszary pracy tranzystora P-N-P

Obszary pracy tranzystora P-N-P

U

U

BC

BC

U

U

BE

BE

Nasycenie

Nasycenie

(saturation)

(saturation)

Polaryzacja

Polaryzacja

normalna

normalna

(forward)

(forward)

Polaryzacja

Polaryzacja

odwrotna

odwrotna

(reverse)

(reverse)

Odcięcie

Odcięcie

(cut-off)

(cut-off)

Obszary pracy tranzystora N-P-N

Obszary pracy tranzystora N-P-N

Charakterystyki statyczne tranzystora

Charakterystyki statyczne tranzystora

Rodzina charakterystyk statycznych tranzystora

Rodzina charakterystyk statycznych tranzystora

w układzie WE, w którym I

w układzie WE, w którym I

1

1

= I

= I

B

B

, U

, U

1

1

= U

= U

BE

BE

, I

, I

2

2

= I

= I

C

C

, U

, U

2

2

= U

= U

CE

CE

.

.

nachylenie=g

m

Literatura anglosaska:

U=V

Charakterystyki statyczne tranzystora

Charakterystyki statyczne tranzystora

Charakterystyki statyczne tranzystora

Charakterystyki statyczne tranzystora

Efekt Early'ego

Efekt Early'ego

Punkt pracy

Punkt pracy

Punkt pracy

Punkt pracy

Punkt pracy

Punkt pracy

   

Do takich właśnie parametrów należą:

Do takich właśnie parametrów należą:

U

U

EB0max

EB0max

- dopuszczalne napięcie

- dopuszczalne napięcie

wsteczne baza-emiter

wsteczne baza-emiter

U

U

CB0max

CB0max

- dopuszczalne napięcie

- dopuszczalne napięcie

wsteczne kolektor-baza

wsteczne kolektor-baza

U

U

CE0max

CE0max

- maksymalne dopuszczalne

- maksymalne dopuszczalne

napięcie kolektor-emiter

napięcie kolektor-emiter

I

I

Cmax

Cmax

- maksymalny prąd kolektora

- maksymalny prąd kolektora

I

I

Bmax

Bmax

- maksymalny prąd bazy

- maksymalny prąd bazy

P

P

strmax

strmax

- maksymalna dopuszczalna

- maksymalna dopuszczalna

moc strat

moc strat

Tranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają

Tranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają

charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których

charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których

przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora.

przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora.

Parametry graniczne tranzystora

Parametry graniczne tranzystora

Pasmo wzmocnienia

Pasmo wzmocnienia

Pasmo wzmocnienia jest okre

Pasmo wzmocnienia jest okre

ś

ś

lone przez w

lone przez w

ł

ł

asno

asno

ś

ś

ci tranzystora (jego

ci tranzystora (jego

wielko

wielko

ś

ś

ci paso

ci paso

ż

ż

ytnicze) oraz sposób jego wspó

ytnicze) oraz sposób jego wspó

ł

ł

dzia

dzia

ł

ł

ania z obwodem

ania z obwodem

wzmacniacza.

wzmacniacza.

Ka

Ka

ż

ż

dy rzeczywisty tranzystor charakteryzuje si

dy rzeczywisty tranzystor charakteryzuje si

ę

ę

ró

ró

ż

ż

nymi wielko

nymi wielko

ś

ś

ciami

ciami

paso

paso

ż

ż

ytniczymi, z których najwa

ytniczymi, z których najwa

ż

ż

niejsze to: rozproszona rezystancja

niejsze to: rozproszona rezystancja

bazy r

bazy r

bb

bb

oraz pojemno

oraz pojemno

ś

ś

ci baza-emiter C

ci baza-emiter C

be

be

i baza-kolektor C

i baza-kolektor C

bk

bk

Pasmo wzmocnienia tranzystora jest ograniczone przez jego

Pasmo wzmocnienia tranzystora jest ograniczone przez jego

częstotliwość graniczną fT ; powyżej tej częstotliwości współczynnik

częstotliwość graniczną fT ; powyżej tej częstotliwości współczynnik

wzmocnienia prądowego β jest mniejszy od jedności.

wzmocnienia prądowego β jest mniejszy od jedności.

1

Schematy zastępcze tranzystora

Schematy zastępcze tranzystora

Schematy zastępcze tranzystora stosujemy, wtedy gdy chcemy

Schematy zastępcze tranzystora stosujemy, wtedy gdy chcemy

przeprowadzić analizę pracy danego układu elektronicznego.

przeprowadzić analizę pracy danego układu elektronicznego.

Rozróżniamy trzy podstawowe schematy zastępcze tranzystora:

Rozróżniamy trzy podstawowe schematy zastępcze tranzystora:

Typu P

Typu P

Hybrydowy

Hybrydowy

Ebersa – Molla

Ebersa – Molla

Schemat zastępczy typu P tranzystora jest stosowany przy

Schemat zastępczy typu P tranzystora jest stosowany przy

określaniu punktu pracy i parametrów roboczych układów

określaniu punktu pracy i parametrów roboczych układów

elektronicznych – rezystancja wejściowa i wyjściowa, wzmocnienie.

elektronicznych – rezystancja wejściowa i wyjściowa, wzmocnienie.

Schemat hybrydowy służy również do określania parametrów

Schemat hybrydowy służy również do określania parametrów

układów elektronicznych. Wartości parametrów h określa się

układów elektronicznych. Wartości parametrów h określa się

korzystając z charakterystyk statycznych tranzystora.

korzystając z charakterystyk statycznych tranzystora.

Model Ebersa – Molla jest wykorzystywany do analizy pracy

Model Ebersa – Molla jest wykorzystywany do analizy pracy

układów impulsowych i cyfrowych.

układów impulsowych i cyfrowych.

U

EB

U

CB

I

C

I

E

α

F

·I

F

α

R

·I

R

I

R

I

F

I

B

Model Ebersa-Molla

Model Ebersa-Molla

Rzeczywisty tranzystor troszkę różni się

od modelu Shockleya (Ebersa-Molla)

Dokładniejszy opis tranzystora wymaga uwzględnienia m.in. :

*prądów generacji-rekombinacji w warstwach zaporowych
*efektu modulacji grubości bazy (efekt Early’ego)

*zjawisk zachodzących przy dużych prądach
*rezystancji bazy „wewnętrznej”

*rezystancji szeregowych

Rozszerzony o te efekty model Ebersa-Molla

Rozszerzony o te efekty model Ebersa-Molla

to model Gummela-Poona

to model Gummela-Poona

Model Ebersa-Molla

Model Ebersa-Molla

[y]

[h]

[

s

]

[z]

+

+

_

_

v

1

v

2

i

2

i

1

Tranzystor jako czwórnik

Tranzystor jako czwórnik

1

11 1

12 2

u

h i

h u





2

21 1

22 2

i

h i

h u





Macierz hybrydowa (mieszana)

Macierz hybrydowa (mieszana)

1

11 1

12 2

u

h i

h u





2

21 1

22 2

i

h i

h u





1

11

1

0

2

u

h

i u





1

12

2

0

1

u

h

u i





Parametry mieszane

Parametry mieszane

impedancja wejściowa

impedancja wejściowa

wzmocnienie prądowe (

wzmocnienie prądowe (

β

β

)

)

oddziaływanie wsteczne

oddziaływanie wsteczne

admitancja wyjściowa

admitancja wyjściowa

y

11e

≡

y

ie

y

12e

≡

y

re

y

21e

≡

y

fe

y

22e

≡

y

oe

h

11e

≡

h

ie

h

12e

≡

h

re

h

21e

≡

h

fe

h

22e

≡

h

oe

i=input; r=reverse; f=forward; o=output

Indeks „e” oznacza układ połączenia wspólny emiter(WE)

Parametry admitancyjne

Parametry mieszane

Parametry małosygnałowe - oznaczenia

Parametry małosygnałowe - oznaczenia

Tranzystor - przełącznik

Tranzystor - przełącznik

Przełączanie tranzystora polega na przejściu chwilowego punktu

Przełączanie tranzystora polega na przejściu chwilowego punktu

pracy tranzystora ze stanu zatkania do stanu nasycenia, lub w

pracy tranzystora ze stanu zatkania do stanu nasycenia, lub w

kierunku odwrotnym wzdłuż linii prostej pracy tranzystora.

kierunku odwrotnym wzdłuż linii prostej pracy tranzystora.

Przełączanie tranzystora można uzyskać pod wpływem skokowej

Przełączanie tranzystora można uzyskać pod wpływem skokowej

zmiany sygnału sterującego.

zmiany sygnału sterującego.

Praca dynamiczna

Praca dynamiczna

Przebiegi czasowe

Przebiegi czasowe

rysunki z instrukcji do ćwiczeń lab.

Współczynnik przesterowania

Współczynnik przesterowania

K

K

F

F

(I

(I

C

C

) =

) =

β

β

·

·

I

I

BS

BS

/I

/I

C

C

Im większa jest wartość prądu bazy,

Im większa jest wartość prądu bazy,

tym większa jest głębokość nasycenia tranzystora.

tym większa jest głębokość nasycenia tranzystora.

gdzie,

gdzie,

β = I

β = I

C

C

/I

/I

BF

BF

Czasy przełączania

Czasy przełączania

Pojemność włączona równolegle do oporności w obwodzie

Pojemność włączona równolegle do oporności w obwodzie

bazy jest przyczyną przesterowania tranzystora w stanach

bazy jest przyczyną przesterowania tranzystora w stanach

przejściowych.

przejściowych.

Stosując tak zwaną pojemność przyspieszającą można

Stosując tak zwaną pojemność przyspieszającą można

znacznie zmniejszyć czas narastania.

znacznie zmniejszyć czas narastania.

Czasy przełączania

Czasy przełączania

Zmniejszenie czasów przeciągania i opadania można uzyskać

Zmniejszenie czasów przeciągania i opadania można uzyskać

przełączając tranzystor dwukierunkowymi zmianami napięcia

przełączając tranzystor dwukierunkowymi zmianami napięcia

generatora sterującego.

generatora sterującego.