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.