Materiały pomocnicze do ćwiczenia nr. 8

TRANZYSTOR BIPOLARNY

Podstawy teoretyczne

1.1. Tranzystor bipolarny. Budowa, zasada działania.

Tranzystor bipolarny jest przyrządem półprzewodnikowym o dwóch złączach p-n

zbudowanym z trzech warstw półprzewodników domieszkowych wykazujących kolejno
przewodnictwa typu p-n-p lub n-p-n. Są one uzyskane w monokrysztale półprzewodnika,
najczęściej krzemu (rys. 1).

Warstwa wewnętrzna nazywa się bazą (B) a warstwy zewnętrzne emiterem (E) i

kolektorem (C). Emiter baza i kolektor mają doprowadzenia metaliczne zwane elektrodami
tranzystora.

Rys. 1. Struktura , polaryzacja elektrod i symbol graficzny tranzystora:

a) typu p-n-p
b) typu n-p-n

Stan tranzystora zapewniający uzyskanie przez niego właściwości wzmacniających

uzyskuje się przez odpowiednią polaryzacją elektrod (rys. 1). Złącze emiterowe
spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia , zaś kolektorowe w kierunku zaporowym.
Zachodzące w tranzystorze zjawiska fizyczne wyjaśniono na przykładzie tranzystora p-n-p.
(rys. 2).

W stanie równowagi, bez polaryzacji zewnętrznej na obu złączach tranzystora występują

bariery potencjału (U

1

i U

2

na rys.2a) spowodowane rekombinacją dziur z obszarów emitera i

kolektora z elektronami obszaru bazy.

1

Zaznaczone na rys. 2a ładunki „+” i „-” oznaczają odpowiednio ładunki nieruchomych

jonów donorowych i akceptorowych.

Rys. 2. Zasada działania tranzystora:

a) tranzystor niespolaryzowany,

b) tranzystor z polaryzacją kolektora,

c) tranzystor w stanie normalnej polaryzacji kolektora i emitera.

Jeżeli złącze kolektorowe (I

2

) zostanie spolaryzowane w kierunku zaporowym przez

włączenie źródła E

C

, zwiększy się bariera potencjału U

2

między kolektorem a bazą (rys.2b).

W obwodzie baza-kolektor płynie prąd o małym natężeniu zwany kolektorowym prądem
zerowym I

CB0

. Jest on wynikiem ruchu nośników mniejszościowych

1

generowanych

termicznie, zależy więc od temperatury. Dziury z bazy wpływają do kolektora, natomiast
elektrony z kolektora do bazy.

Jeżeli połączymy źródło E

E

, polaryzujące złącze emiterowe (J

1

) w kierunku przewodzenia

(rys. 2c) to obniży się bariera potencjału U

1

między emiterem a bazą. Dziury z emitera

przepływają drogą dyfuzji do obszaru bazy, gdzie częściowo rekombinują. Ponieważ
szerokość bazy jest niewielka i np. w tranzystorach małej mocy zawiera się w granicach (0,3-
1)

μm, liczba rekombinujących dziur w bazie stanowi (1-5)% dyfundujących z emitera dziur.

Większość dziur osiąga więc złącze kolektorowe i jest unoszona do obszaru kolektora. Miarą
„ubytku” dyfundujących nośników większościowych emitera (prądu emitera) jest tzw.
współczynnik wzmocnienia prądowego

α, przy czym

α =

Δ
Δ

I
I

C

E

(1)

gdzie:

ΔI

C

,

ΔI

E

- przyrosty prądu: kolektora i emitera.

1

Nośnikami mniejszościowymi są dziury w półprzewodniku typu n oraz elektrony w półprzewodniku typu p

2

Wartość współczynnika

α jest nieco mniejsza od jedności i zawiera się w granicach (0,95-

0,99). Wobec tego na podstawie rys. 2c jest:

I

I

I

C

E

CB

=

+

α

0

(2)

W rozpatrywanym układzie tranzystora sygnałem wejściowym (sterującym) jest prąd

emitera, zaś wyjściowym prąd kolektora. Taki układ nazywa się układem o wspólnej bazie
(OB). Mimo braku wzmocnienia prądowego można uzyskać w nim duże wzmocnienie mocy,
dzięki znacznemu wzmocnieniu napięciowemu. Jest bowiem spełniona zależność:

U

I

R

U

I

R

WE

E

BE

WY

C

CB

=

⋅

<<

=

⋅

(3)

Spełnienie nierówności (3) wynika z faktu, że rezystancja baza-emiter R

BE

jest mniejsza od

rezystancji kolektor-baza R

CB

(złącze kolektorowe spolaryzowane w kierunku zaporowym).

Działanie tranzystora n-p-n jest analogiczne do działania tranzystora p-n-p z tą różnicą, że

napięcia polaryzujące są przeciwnych znaków, zaś na prąd emitera składa się ruch
elektronów, a nie dziur. Na rys. 3 przedstawiono zasadnicze układy pracy tranzystora.

W układzie o wspólnym emiterze (rys. 3b) prądem wejściowym (sterującym) jest prąd

bazy a wyjściowym prąd kolektora. Zależność między tymi prądami powstaje po
podstawieniu prądu emitera obliczonego z I-go prawa Kirchhoffa, czyli:

Rys. 3. Zasadnicze układy pracy tranzystora:

a) o wspólnej bazie (OB),

b) o wspólnym emiterze (OE),

c) o wspólnym kolektorze (OC).

I

I

I

E

B

C

=

+ (4)

do wzoru (2)

I

I

I

I

C

B

C

CB

=

+

+

α(

)

0

(5)

Stąd po przekształceniu otrzymuje się wyrażenie:

I

I

C

B

=

I

CB

−

+

−

α

α

α

α

1

1

0

(6)

Po wprowadzeniu oznaczeń:

β

α

α

=

−

1

,

I

CE

CB

0

1

=

I

0

−

α

α

(7)

3

otrzymuje się zależność (6) w postaci:

I

I

I

C

B

CE

=

+

β

0

(8)

gdzie:

β - współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie OE

I

CE0

- prąd zerowy kolektor-emiter w układzie OE (rys.1b)

Po uwzględnieniu ze wzoru (7), że

α

β

β

=

+

1

i podstawieniu do wzoru (6) otrzymuje się

związek:

β =

−
+

I

I

I

I

C

CB

B

CB

0

0

(9)

Jest to wzór umożliwiający wyznaczenie

β jako tzw. statycznego (stałoprądowego)

współczynnika wzmocnienia prądowego w układzie OE. W katalogach podaje się wartość
współczynnika h

21e

oznaczającego współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie OE.

odpowiadającą przyrostom prądów wejściowego i wyjściowego, czyli:

0

U

B

C

e

21

CE

I

I

h

=

Δ

Δ

=

(10)

Współczynnik

α jest bliski jedności, zatem β>>1. Typowe wartości współczynnika β

zawierają się w granicach 20 ÷ 900.

W przypadku układu ze wspólnym kolektorem (rys. 3c) otrzymuje się zależność prądu

wyjściowego (I

E

) od wejściowego I

B

w analogiczny sposób jak dla układu OE. Opisuje ją

wzór:

I

I

I

CE

E

B

= +

+

(

)

1

0

β

(11)

Dla każdego z trzech układów pracy tranzystora, celem ułatwienia analizy układów

wzmacniających w zakresie dużych zmian prądów i napięć przy małej częstotliwości, podaje
się charakterystyki statyczne, najczęściej wejściową i wyjściową. Na rys. 4 podano typowy
przebieg charakterystyk statycznych tranzystora n-p-n w układzie OE.

Rys. 4

Statyczne charakterystyki tranzystora w układzie OE.

a) wejściowa
b) wyjściowa

4

1.2. Analiza pracy jednostopniowego wzmacniacza tranzystorowego prądu

zmiennego w układzie OE.

Rozpatrzmy przedstawiony na rys. 5 prosty układ wzmacniacza małej częstotliwości z

tranzystorem pracującym w konfiguracji OE. Przy braku zmiennego sygnału wejściowego
(u

1

=0) wzmacniacz znajduje się w tzw. stanie spoczynkowym. W układzie płyną stałe prądy

I

B

, I

C

, I

E

. Pisząc równania dla oczek , dostajemy związki:

BE

B

B

B

U

E

I

R

−

=

(12)

CE

C

C

C

U

E

I

R

−

=

(13)

Z równania (12) wynika zależność określająca wartość spoczynkowego prądu bazy:

Rys. 5

Wzmacniacz tranzystorowy w układzie OE.

I

E

U

R

B

B

B

B

0

=

E

−

(14)

przy czym: U

BE

- napięcie progowe złącza emiterowego (0,7 V)

Równanie (13) opisuje w układzie współrzędnych I

C ,

U

CE

tzw. prostą pracy wzmacniacza

(rys. 6). Punkt przecięcia P, odpowiadającej prądowi bazy I

B0

charakterystyki I

C

=f(U

CE

) z

prostą pracy, ma współrzędne równe składowym stałym napięcia kolektorowego U

CE0

i prądu

kolektora I

C0

.

Jeżeli pojawia się sygnał wejściowy w postaci napięcia przemiennego u

1

, np.

sinusoidalnego o równaniu u

1

=U

1m

sin

ωt, to wymusza on w obwodzie bazy sinusoidalny prąd

o amplitudzie:

(

)

BE

1

m

1

2

BE

1

2

S

m

1

Bm

r

R

U

r

R

C

1

U

I

+

≈

+

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

ω

=

(15)

gdzie:
r

BE

- rezystancja dynamiczna złącza emiterowego w kierunku przewodzenia (kilka k

Ω),

1

ωC

S

dużo mniejsze od (R

1

+r

BE

).

5

Rys. 6

Analiza graficzna wzmacniacza w układzie OE z rys. 5

Składowa zmienna prądu bazy powoduje okresowe przesuwanie się punktu P po prostej

pracy od punktu P’ do P”, co wywołuje pojawienie się składowych zmiennych: prądu
kolektorowego i

Cz

(t) i napięcia u

CEz

(t) o równaniach:

t

sin

I

)

t

(

i

Cm

Cz

ω

=

(16)

t

sin

U

)

t

(

u

CEm

CEz

ω

−

=

(17)

Znak minus we wzorze (17) oznacza, że dodatniemu przyrostowi prądu bazy odpowiada

ujemny przyrost napięcia kolektorowego, a zatem omawiany wzmacniacz przesuwa fazę
napięcia wejściowego o

π rad. Ponieważ napięcie wyjściowe u

2

jest równe napięciu u

CE

(rys.5), więc wzmocnienie napięciowe wzmacniacza wynosi :

k

U

U

U

U

u

CEm

m

=

=

Δ

Δ

2

1

1

(18)

Jeżeli przyjąć że odbiornikiem włączonym do wzmacniacza jest rezystor R

C

, to składowa

zmienna napięcia na nim wynosi:

)

t

(

i

R

)

t

(

u

Cz

C

Rz

=

(19)

z równania (13) dla składowej zmiennej jest:

)

t

(

u

)

t

(

u

E

)

t

(

i

R

CEz

CEz

C

Cz

C

−

=

−

Δ

=

(bo

0

F

C

=

Δ

) (20)

czyli:

6

)

t

(

u

)

t

(

u

CEz

Rz

−

=

(21)

wobec tego:

Δ

Δ

U

U

U

R

CE

CEm

=

=

(22)

czyli amplituda napięcia na odbiorniku R

C

jest taka sama jak napięcia kolektor-emiter.

Wzmocnienie napięciowe może więc być obliczone ze wzoru (18). Wzmocnienie prądowe
oblicza się ze wzoru:

k

I
I

I
I

i

C

B

Cm

Bm

=

=

Δ
Δ

(23)

Najczęściej jednak odbiornik włączony jest za pośrednictwem kondensatora C

S

między

kolektor a masę, czyli jak na rys. 7. Sprzężenie pojemnościowe z odbiornikiem dotyczy
szczególnie przypadku, gdy obciążeniem wzmacniacza jest następny stopień wzmacniający
(wzmacniacz wielostopniowy).

Rys. 7 Wzmacniacz tranzystorowy OE z odbiornikiem włączonym między kolektorem a masą

R

0

oznacza rezystancję obciążenia wnoszoną np. przez następny stopień. Uwzględniając,

że X

CS

<<R

0

impedancję obciążenia stanowi praktycznie tylko rezystancja R

0

. Pojemność C

S

blokuje przepływ składowej stałej prądu odbiornika. Pisząc równanie dla oczka

( s. 7) dla

składowych zmiennych (

ry

O

S

R

C

1

ω

rzymuje się związek:

<<

) ot

(

)

0

R

i

R

i

i

O

O

C

O

Cz

=

+

+

(24)

gdzie:
i

Cz

, i

0

- składowe zmienne odpowiednio prądu kolektora i odbiornika

I

C0

, U

CE0

- składowe stałe prądu i napięcia kolektora

Ponieważ przy pomijalnym spadku napięcia na kondensatorze C

S

dla składowej zmiennej

prądu i

0

:

CEz

O

O

u

R

i

=

(25)

czyli:

O

CEz

O

R

u

i

=

(26)

7

więc po uwzględnieniu wzorów (25) i (26) we wzorze (24) otrzymuje się zależność:

0

R

R

u

R

R

u

i

O

O

CEz

C

O

CEz

Cz

=

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

(27)

Stąd dostajemy równanie:

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

−

=

⋅

1

R

R

u

R

i

O

C

CEz

C

Cz

(28)

Po zróżniczkowaniu równania (28) stronami względem i

Cz

mamy:

0

C

0

C

0

C

C

Cz

CEz

R

R

R

R

1

R

R

R

di

du

+

−

=

+

−

=

(29)

Ze wzoru (29) wynika, że nachylenie prostej pracy względem osi i

C

jest dla tego

przypadku, mniejsze niż dla składowej stałej (

R R

R

R

R

C

O

C

O

C

+

<

). Otrzymaną prostą pracy

nazywamy wówczas prostą dla składowych zmiennych. Zaznaczono ją na rys.8 linią
przerywaną.

Rys. 8. Proste pracy wzmacniacza przedstawionego na rys.7

1 - dla składowej stałej,

2 - dla składowej zmiennej.

Łatwo zauważyć, że podłączenie odbiornika R

O

zmniejsza wzmocnienie napięciowe

wzmacniacza gdyż

2

(rys.8)

2

U

U

CEm

CEm

*

<

Wobec tego

wzmocnienie napięciowe:

k

U

U

U

U

u

O

CE

m

=

=

m

Δ

Δ

1

1

*

, (30)

8

wzmocnienie prądowe:

k

I
I

U

R

I

U

R I

i

Om

Bm

CEm

O

Bm

CEm

O Bm

=

=

=

*

*

(31)

We wzmacniaczach przedstawionych na rys. 5 i rys. 7 zastosowano zasilanie tranzystora z

dwóch źródeł napięcia stałego. W układach praktycznych stanowi to dużą niedogodność,
dlatego stosuje się trzy zasadnicze układy polaryzacji tranzystora z jednym źródłem.
Przedstawiono je na rys. 9.

Rys. 9 Różne sposoby polaryzacji tranzystora we wzmacniaczu OE.

W układzie pierwszym (rys. 9a), spoczynkowy prąd bazy ustalony jest wartością

rezystancji R

B

tzn.

I

E

U

R

BO

C

B

B

=

E

−

;

U

BE

= 0,7V

(32)

Wadą tego układu jest duża zależność parametrów spoczynkowego punktu pracy

wzmacniacza od temperatury.

Stabilizację termiczną punktu pracy zapewnia układ drugi (rys. 9b), w którym za

pośrednictwem rezystora R

B

uzyskuje się ujemne sprzężenie zwrotne. dzięki temu wrażliwość

wzmacniacza na temperaturowe zmiany parametrów wzmacniacza jest mniejsza.

Na przykład, jeżeli wskutek zmiany temperatury wzrasta wartość I

C0

, to maleje napięcie

U

CE0

(U

CE0

= E

C

-I

C0

R

C

), co pociąga za sobą zmniejszenie prądu I

B0

(I

U

U

R

BO

CEO

BE

B

=

−

), a to

z kolei prowadzi do zmniejszenia prądu I

C0

(I

I

CO

BO

≅ β

). Tak więc skutek oddziałuje tłumiąco

na przyczynę. Jest to cechą charakterystyczną ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Najpowszechniej stosowany układ trzeci (rys. 9c) zawiera dzielnik napięcia zbudowany z

rezystorów R

1

, R

2

zapewniający określony prąd I

B0

, oraz elementy R

E

, C

E

, dzięki którym

realizowane jest ujemne sprzężenie zwrotne dla składowych stałych. Przez kondensator C

E

o

dużej pojemności płynie składowa zmienna prądu emitera, natomiast składowa stała tego
prądu w rezystorze R

E

wywołuje zależność prądu bazy od prądu kolektora. Przykładowo,

jeżeli ze wzrostem temperatury wzrasta prąd I

C0

, to rośnie również prąd I

E0

a więc i spadek

napięcia R

E

I

E0

. Powoduje to zmniejszenie napięcia U

BE

a więc i prądu I

B0

(charakterystyka na

rys. 4a

). Ponieważ

, zmniejszenie prądu I

B0

pociąga za sobą zmniejszenie prądu

I

C0

, czyli dochodzi do tłumienia pierwotnej zmiany prądu kolektora. W ten sposób osiąga się

stabilizację punktu pracy wzmacniacza.

I

I

CO

BO

≅ β

1.3. Wzmacniacz w układzie OC (wtórnik emiterowy).

9

Schemat układu prostego wzmacniacza OC przedstawiono na rys. 10. Dzięki rezystorowi

R

E

realizowane jest silne ujemne sprzężenie zwrotne zarówno dla składowej stałej jak i

zmiennej prądu emitera.

Wzmacniacz ten charakteryzuje się współczynnikiem wzmocnienia napięcia bliskim

jedności (u

2

≈u

1

) - stąd nazwa wtórnik emiterowy, dużą rezystancją wejściową i małą

wyjściową. Wzmocnienie prądowe jest równe w przybliżeniu

β. W związku z tym wtórniki

stosuje się jako układy dopasowujące np. przy pomiarze napięć źródeł bardzo małej mocy, np.
termoelementu. W przeciwieństwie do wzmacniacza OE wtórnik emiterowy nie odwraca fazy
napięcia wejściowego.

Rys. 10 Wtórnik emiterowy.

10