Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Podstawy działania
elementów
półprzewodnikowych -
tranzystory
Wrocław 2010
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wprowadzenie
ZÅ‚Ä…cze PN spolaryzowane zaporowo:
I
P N
IS
IS
U
U
-
+
USAT=0.1...0.2V
gdzie:
ëÅ‚ öÅ‚
Dp pn Dnnp ÷Å‚ Dp,n  współczynniki dyfuzji dziur i elektronów
IS = qìÅ‚ +
Lp,n  drogi dyfuzji dziur i elektronów
ìÅ‚
Lp Ln ÷Å‚ pn,np  koncentracje noÅ›ników mniejszoÅ›ciowych
íÅ‚ Å‚Å‚
1
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wprowadzenie
Wartość prądu nasycenia:
- nie zależy od przyłożonego napięcia (z
ródło prądowe)
- zależy od poziomu nośników mniejszościowych w poszczególnych
obszarach (sterowane)
Np.: zmieniając liczbę elektronów w obszarze  P :
I
IS4 np4
IS3
np3
IS2
np2
IS1
np1
U
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wprowadzenie
Jak kontrolować liczbę (koncentrację) elektronów
(nośników mniejszościowych)?????
Dodatkowe
elektrony
- -
-
- -
P N
-
-
IS
U
-
+
2
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wprowadzenie
Sposoby zmiany koncentracji nośników:
- doprowadzenie energii z zewnÄ…trz np.: promieniowanie
świetlne, Rentgenowskie itp.
- wstrzykiwanie - dodatkowa elektroda (emiter) 
wprowadzanie prÄ…dowe
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wprowadzenie
3
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny npn
Zasada działania
ZÅ‚Ä…cze E-B w kier przewodz. (z E do B
wstrzykiwane elektrony)
Elektrony po przejściu przez B dostają
się do warstwy zaporowej B-C, z której
wyciągane są przez istniejący potencjał
+ w kierunku C.
Strumień elektronów wstrzykiwanych do
bazy stanowi prÄ…d emitera IE w
obwodzie wejściowym, a strumień
elektronów odbieranych przez C  IC.w
obwodzie wyjściowym.
Współczynnik wzmocnienia prądowego
tranzystora:
IC
Ä… =
IB
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny npn
Zasada działania
Współczynnik równy 1, gdyż oba
strumienie elektronów są równe sobie.
Jeśli w obwodzie wej. umieścimy z
ródło
sterowane, w obwodzie wyjściowym R0,
to ze względu na dużo większą
rezystancjÄ™ spolaryzowanego zaporowo
B-C niż E-B (w kier. przewodzenia),
zmiany IE spowodują znaczne większe
zmiany napięcia na złączu B-C niż E-B,
zatem moc na na R0 znacznie większa
od mocy dostarczanej do obw.wej. 
efekt WZMOCNIENIE!
4
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Polaryzacja
n  p  n p  n  p
C C
C C C C
n p
B p B B n B
B B
n p
E E E E E E
IC
IC
C
C
IB
IB
-
+
B
UCE
UCE
B
+
-
+ -
UBE
UBE
+
E
-
E
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Charakterystyki
Tranzystor traktujemy jako czwórnik o czterech parametrach:
IWE
IWY
UWE
UWY
Wyznaczamy
charakterystyki:
UWE = f (IWE )
- wejściowe
UWY =const
UWE = f (UWY )
IWY =const - zwrotne napięciowe
IWY = f (IWE )
UWY =const - przejściowe prądowe
IWY = f (UWY )
IWE =const - wyjściowe
5
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Charakterystyki
WE
IC
C
IB
+
UCE
B
+ -
UBE
-
E
- wejściowe
UWE = f (IWE )
UWY =const
- zwrotne napięciowe
UWE = f (UWY )
IWY =const
- przejściowe prądowe
IWY = f (IWE )
UWY =const
- wyjściowe
IWY = f (UWY )
IWE =const
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Stałoprądowy model Ebersa - Molla
IC
prÄ…d diody emiterowej (aktywny zakres pracy normalnej
C
tranzystora UBE>0,3V i UBC<<0)
îÅ‚ Å‚Å‚
ëÅ‚U öÅ‚
UBC
I = I
ïÅ‚expìÅ‚ BE ÷Å‚ - 1śł
Ä…NIN N ES
ìÅ‚ ÷Å‚
ÕT śł
ïÅ‚
íÅ‚ Å‚Å‚
ðÅ‚ ûÅ‚
IB
II
B
IN prÄ…d diody kolektorowej (aktywny zakres pracy inwersyjnej
tranzystora UBE<<0 i UBC>0,3V)
Ä…III
UBE
îÅ‚ Å‚Å‚
ëÅ‚ U öÅ‚
÷Å‚
I = ICS ïÅ‚expìÅ‚ BC ÷Å‚ - 1śł
I
ìÅ‚
ÕT śł
ïÅ‚
íÅ‚ Å‚Å‚
E ðÅ‚ ûÅ‚
IE
IES  rewersyjny prąd nasycenia złącza emiterowego przy zwartym złączu kolektorowym UBC=0
ICS  rewersyjny prąd nasycenia złącza kolektorowego przy zwartym złączu emiterowym UBE=0
ąN  współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora dla WB przy aktywnej pracy normalnej
²N  współczynnik wzmocnienia prÄ…dowego tranzystora dla WE przy aktywnej pracy normalnej
ąI  współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora dla WB przy aktywnej pracy inwersyjnej
IC ² IC Ä…
N N
Ä… = = ² = =
N N
I ² + 1 I 1-Ä…
E N B N
6
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Stałoprądowy model Ebersa - Molla
Dla stanu aktywnej pracy możemy zapisać:
îÅ‚
ëÅ‚ öÅ‚
UBE ÷Å‚ Å‚Å‚
IN = IES ïÅ‚expìÅ‚ ÷Å‚ śł
ìÅ‚
ÕT śł
ïÅ‚
íÅ‚ Å‚Å‚
ðÅ‚ ûÅ‚
stÄ…d otrzymujemy:
IE = I
N
IC = Ä… IN
N
IB = IE - IC = (1-Ä… ) IN
N
zatem uproszczony model E  M dla stanu aktywnej pracy normalnej tranzystora :
IB IC
B C
²IB
UBE
UCE
E E
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Stałoprądowy model Ebersa - Molla
Dla wysokich temperatur złącza bliskich max temp. złącza (np.dla krzemu Tjmax=1700) koniecznym
staje się uwzględnieni zerowego prądu kolektora. Wówczas IC przyjmuje postać:
IC = ²IB + IC0 = ²IB + (² + 1)ICB0
ICB0  prąd zerowy złącza kolektor-baza przy polaryzacji wstecznej i odłączonym emiterze (typowa wartość dla
krzemu 10-12  10-10 A, podwaja się przy wzroście temperatury o każde 8oC).
IB IC
B C
²IB
UBE (²+1)ICB0
UCE
E E
7
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Stałoprądowy model Ebersa - Molla
Linearyzacja diody w punkcie pracy Q
IBQ ICQ
B C
gbe
UBE ² Å" IBQ UCE
UBEQ
E E
dIE
gbe = H" 0 U = U
BE BEQ
U
BEQ
dU
BE
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Punkt pracy
IC
IB
Q Q
ICQ
IBQ
UBEQ UBE UCE
UCEQ
8
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Małosygnałowy model  hybryd Ą  parametry
gb'c
transkonuktancja (nie zależy od
indywidualnych właściwości tranzystora
cb'c
ib rbb' B' ic
ICQ
dic
B C
gm = =
dub'e uce =const ÕT
ub'e
gb'e cb'e gmub'e gce ÕT  potencjaÅ‚ termiczny elektronu H" 26mV
konuktancja wyjściowa
ICQ
duce
E E gce = =
dic ub'e =const UEY +UCEQ
rbb  rezystancja rozproszenia bazy (rezystancja
konuktancja wejściowa
między zaciskiem zewnętrznym B a bazą
 wewnętrzną ~ 100&!)
dub'e gm ICQ
gb'e = = =
dib uce =const ² ÕT ²
gb'e gm
transkonduktancja zwrotna
Cb'e + Cb'c = =
ɲ ÉT
dib gce ICQ
gb'c = = = H" 0
'e
duce ub =const ² ²(UEY +UCEQ)
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Zjawisko Early ego
IC
nachylenie gce
UEY
UCE
npn ~ (80-200) V
pnp ~ (40-150) V
9
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Małosygnałowy model  hybryd Ą  częstotliwości graniczne
CzÄ™stotliwoÅ›ci graniczne tranzystora - (wyznaczane ze współczynnika ² przy zwarciu obwodu kolektora)
cb'c
ib rbb' B' ic
B C
ub'e
gmub'e
gb'e cb'e
E E
gm
ic gmub'e( jÉ) gb'e
²( jÉ)= = =
ib uce =0 ib( jÉ) ëÅ‚ öÅ‚
cb'e + cb'c
ìÅ‚ ÷Å‚
1+ jÉìÅ‚ ÷Å‚
gb'e
íÅ‚ Å‚Å‚
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Małosygnałowy model  hybryd Ą  częstotliwości graniczne
²(É)
gm
[dB] gdy É 0 Ò! ²( jÉ)= = ²0
gb'e
²0
3dB
gb'e
gdy É Ä™! to ² przy É = ɲ =
cb'e + cb'c
²0
²( jÉ)=
1+ jɲ
²(ÉÅ„)=1
É
0 częstotliwość graniczna
ÉÅ„
ɲ
gdy É > ɲ Ò! É(cb'e + cb'c )<< gb'e
ɲ
f² =
gm 2Ä„
²( jÉ)=
jÉ(cb'e + cb'c )
max częstotliwość przenoszenia
ÉT
gm ² =
fT = = ² f = ²0 f ɲ
²
2Ä„(cb'e + cb'c)
10
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Parametry graniczne  charakterystyki dla dużych UCE
UCBOmax  max dopuszczalne nap. C-B
UCEOmax  max dopuszczalne nap. C-E dla IB =0 (ok. ½ UCBOmax)
UCER - UCEOmax przy włączonym R pomiędzy B-E
UCES - UCEOmax przy włączonym R=0 pomiędzy B-E
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Parametry graniczne
Maksymalna moc strat  moc zamieniana na ciepło w tranzystorze
Pstr = UCEIC +UBEIB H" UCEIC
11
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor bipolarny
Typowe dane katalogowe
BC237B (tr npn małej mocy) BD249A (tr npn dużej mocy)
Parametry graniczne
Napięcie C-E
UCE0 max 45 V 60 V
PrÄ…d C
IC max 100 mA 25 A
Napięcie E-B
UEB0 max 6 V 5 V
PrÄ…d B
IB max 50 mA 5 A
Moc strat
Ptot 300 mW 125 W
Parametry
PrÄ…d zerowy C
ICB0 0,2 nA 0,5mA
Pojemność złącza C-B
Cc 3 pF 500 pF
Pojemność złącza E-B
Ce 8 pF
Parametry zależne od ICQ
Napięcie B-E
UBE 0,6 V (ICQ = 1mA) 0,8 V (ICQ = 1A)
Napięcie nasycenia
UCEsat 60 mV (ICQ = 1mA) 200 mV (ICQ = 1A)
Wsp.wzmoc.prÄ…dowego
² 240 ... 500 (ICQ = 1mA) 40 ... 180 (ICQ = 1mA)
Pole wzmocnienia
fT 100 MHz 3 MHz
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
FET  Field Effect Transistor
JFET  Junction (złącze)
MOSFET  Metal Oxide Semiconductor (metal-tlenek-półprzewodnik) (metalowa bramka izolowana
jest (dwu)tlenkiem krzemu od półprzewodnikowego kanału wiodącego prąd).
MOSFET z kanałem zubażanym (DMOS)  depletion mode
MOSFET z kanałem wzbogacanym (EMOS)  enhacement mode
W praktyce stosowane sÄ… :
1. JFET N,
2. MOSFET wzbogacany N,
3. MOSFET wzbogacany P.
Tranzystory polowe sterowane napięciem UGS (bipolarne IB) w normalnych warunkach w obw. B nie
płynie prąd. Oznacza to, że rezystancja wejściowa tranzystora jest bardzo duża
12
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
JFET  popularne BF245, BF246, BF247
Tranzystory JFET są normalnie włączone UGS = 0 tranzystor przewodzi (podobnie MOSFET
zubażane)
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory złączowe  JFET z kanałem typu n
ID
ID
D
[mA] UDS -UGS = - Up
UGS = 0
G
UDS
IDSS
zakres nasycenia
UGS S
(pentodowy)
2
ëÅ‚ öÅ‚
UGS ÷Å‚
ID = IDSS ìÅ‚1 -
ìÅ‚ ÷Å‚
U
p
íÅ‚ Å‚Å‚
UDS > 0, ID > 0, UGS < 0 i Up < 0
UGS = -Up
UGS
UDS
[V] -Up
[V]
zakres nienasycenia (triodowy)
IDSS
 tranzystor zachowuje siÄ™ jak
ID = [2(UGS -U )UDS -UDS 2]
p
2
rezystor (ID funkcjÄ… UDS) 
U
p
wart. rezyst. zależy od UGS
Up  napięcie progowe przy ID = 0 (stan odcięcia kanału  pinch-off)
IDSS  max ID w zakresie nasycenia (przy UGS = 0)
13
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory złączowe  JFET z kanałem typu p
ID
D
ID
G [mA]
UDS
Up UGS
UDS
UGS S
[V] [V]
UGS = Up
UDS < 0, ID < 0, UGS > 0 i Up > 0
-IDSS
UGS = 0
UDS -UGS = Up
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory złączowe  JFET  model małosygnałowy
rdd
Cgd D'
Transkonduktancja
G
D
´ID
gds gm =
Cgs
´UGS U =0
gmUgs
DS
Ugs
Cgss
S'
2IDSS 2
rss
gm = (UGS -U )= IDSS ID
p
2
U U
p p
S S
2IDSS
gm = = gmm max możliwa do uzyskania
gdy ID = IDSS
transkonduktancja
U
p
Cgs  pojemność pomiędzy bramką a z
ródłem,
Cgd  pojemność pomiędzy bramką a drenem,
Cgs  pojemność pomiędzy bramką a podłożem,
rdd , rss  rezystancje szeregowe drenu i z
ródła, najczęściej pomijane w schemacie
14
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory złączowe  JFET  model małosygnałowy
rdd
Cgd D'
G
D
gds Konduktancja drenu
Cgs
gmUgs (g0  konduktancja wyjściowa)
Ugs
Cgss
S'
´ID
rss gds = g0 =
´UDS UGS =0
S S
IDSS
gds =  (U -UGS )= ID
p
2
U
p
 - współczynnik uwzględniający efekt modulacji długości kanału (0,001  0,100) V-1
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory złączowe  JFET  częstotliwość fT
fT  częstotliwość odcięcia (cut-off) wyznaczana przy Iwe = gmUgs , tj. przy zwartym wyjściu
Cgd Id
Iwe
G D
Cgss Cgs
gmUgs
S S
przy zwartym wyjściu Iwe jest prądem ładowania pojemności wejściowych
Iwe = jÉ(Cgs + Cgss + Cgd )Ugs
Iwe = 2Ä„fTCGU = gmU
gs gs
CG = Cgs + Cgss + Cgd
gm
fT =
2Ä„CG
15
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystory polowy
Tranzystory z izolowana bramką z kanałem wzbogacanym 
MOSFET normalnie wyłączone (EMOS)  z kanałem typu n
ID
UDS > 0, ID > 0, UGS > 0 i UT > 0
D
G
B
ID
UDS ID
[mA]
[mA]
UBB
UGS
IDON
S
UGS > 0
UDS
[V]
IDSS
UGS
[V]
UT typowo
10 V
UT  napięcie progowe przy ID = 0 (threshold),
IDSS  prąd ID (prąd upływu złącza D-S) przy napięciu UGS H" 0,
IDON  prąd drenu przy pełnym włączeniu tranzystora (przy RDON)
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystory polowy
Tranzystory z izolowana bramką z kanałem wzbogacanym 
MOSFET normalnie wyłączone (EMOS)  z kanałem typu p
ID
UDS < 0, ID < 0, UGS < 0 i UT < 0
D
G
B
UDS
UBB
UGS
ID ID
S
[mA] typowo [mA]
UT
UDS 10 V UGS
[V] IDSS [V]
UGS < 0
IDON
16
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory MOSFET  model małosygnałowy
rdd
Cgd
D'
G
D
Transkonduktancja
gds Cdb
Cgb Cgs
gmbUbs
gmUgs
´ID
S' gm =
´UGS U ,UBS =const
rss
Cbs
DS
S
´ID
gmb =
´UBS U ,UGS =const
DS
Transkonduktancja wynikająca z wpływu UBS na
B
parametry kanału. Wykorzystywana w obliczeniach
gdy pojawi się składowa zmienna UBS.
Konduktancja wyjściowa
´ID
gds = g0 =
´UDS UGS ,U =const
BS
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory MOSFET  model małosygnałowy
rdd
Cgd
D'
G
D
gds Cdb
Cgb Cgs
gmbUbs
gmUgs
S'
rss
Cbs
S
Cgd
Iwe Id
G
D
B
Ugs Cgb Cgs gmUgs gds
Cdb
S S
Tranzystory MOS pracują najczęściej przy stałym napięciu bramki (brak składowej zmiennej UBS 
nie występuje efekt podłoża)  pomijamy z
ródło gmb Ubs
17
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Tranzystory MOSFET  częstotliwość odcięcia fT
fT  częstotliwość odcięcia (cut-off) wyznaczana przy Iwe = gmUgs , tj. przy zwartym wyjściu
Cgd
Iwe Id
G
D
Ugs Cgb Cgs gmUgs gds Cdb
S S
gm
fT =
2Ä„(Cgs + Cgd + Cgb)
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Tranzystor polowy
Typowe dane katalogowe
BF245B (tranzystor złączowy IRF530 (tranzystor MOS typu n
kanał n zubożany  małej mocy) wzbogacany  dużej mocy)
Parametry graniczne
Napięcie D-S
UDS max 30 V 100 V
PrÄ…d D
ID max 25 mA 10 A
Napięcie G-S
UGS max -30 V Ä…20 V
Moc strat
Ptot 300 mW 75 W
Parametry charakterystyczne
Napięcie progowe
UP -1,5 ...  4,5 V 1,5 ... 3,5 V
PrÄ…d D przy UGS=0
IDSS 6 ... 15 mA 0.25 mA
Transkonduktancja
gm 5 mA/V 5 A/V
PrÄ…d G
IG max 5 nA 0,5 mA
Prąd D w st. odcięcia
ID max 10 nA 1 mA
Pojemność wej
CweS 4 pF 750 pF
Pojemność wyj
CwyS 1,6 pF 300 pF
Pole wzmocnienia
fT 700 MHz
18