Wydział Elektrotechniki i Informatyki
Wydział Elektrotechniki i Informatyki
Politechnika Lubelska
Politechnika Lubelska
Elektronika
Elektronika
wykład 3  TRANZYSTOR BIPOLARNY
wykład 3  TRANZYSTOR BIPOLARNY
Lublin, paz
dziernik 2008
Lublin, paz
dziernik 2008
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Dwa główne zastosowania tranzystorów:
Dwa główne zastosowania tranzystorów:
przełączanie i wzmacnianie
przełączanie i wzmacnianie
Przełącznik Wzmacniacz
(Elektronika cyfrowa) (Elektronika analogowa)
TRANZYSTOR
TRANZYSTOR
+ - + -
V V
np. czujnik, radio
np. mikroprocesor, pamięć
3
Tranzystor
Tranzystor
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 jak kran
Tranzystor jak kran
bramka
bramka
z
ródło
z
ródło
ON
OFF
zlew zlew
zlew zlew
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
2 złącza p-n
p n p
p n p
tranzystory bipolarne (BJT, HBT)
tranzystory bipolarne (BJT, HBT)
BJT = bipolar junction transistor
BJT = bipolar junction transistor
HBT = heterojunction bipolar transistor
HBT = heterojunction bipolar transistor
Tranzystor bipolarny w ukł. scalonym
Tranzystor bipolarny w ukł. scalonym
HBT: Heterojunction Bipolar Transistor
HBT: Heterojunction Bipolar Transistor
BJT: Bipolar Junction Transistor
BJT: Bipolar Junction Transistor
kontakt kolektora
kontakt emitera
kontakt bazy
SiO2
n+
P P+
dyfuzja izolacji
N
warstwa zagrzebana
podłoże
P
+ oznacza obszar silnie domieszkowany
+ oznacza obszar silnie domieszkowany
Tranzystor bipolarny (BJT)
Tranzystor bipolarny (BJT)
kolektor
kolektor
kolektor
kolektor
tranzystor NPN tranzystor PNP
tranzystor tranzystor PNP
NPN
n
p
baza
baza p
baza n
baza
n
p
emiter
emiter
emiter
emiter
C
C
Symbol graficzny Symbol graficzny
Symbol graficzny Symbol graficzny
B
B
E
E
Zasada działania tranzystora
Zasada działania tranzystora
Zasada działania tranzystora
Zasada działania tranzystora
Polaryzacja normalna
Polaryzacja normalna
ZÅ‚Ä…cze Emiter-Baza spolaryzowane w kierunku przewodzenia
ZÅ‚Ä…cze Emiter-Baza spolaryzowane w kierunku przewodzenia
ZÅ‚Ä…cze Kolektor-Baza spolaryzowane w kierunku zaporowym
ZÅ‚Ä…cze Kolektor-Baza spolaryzowane w kierunku zaporowym
dla tranzystora N-P-N oznacza to:
UEBO (UBE>O, UCE>O)
dla tranzystora P-N-P oznacza to:
UEB>O oraz UCB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 IC, IB, UCE,
moc wydzielana na kolektorze IC· UCE, temperatura pracy czy też
napięcie UBE.
Zasada działania tranzystora
Zasada działania tranzystora
p
n n
elektrony
elektrony
baza kolektor
IE emiter
IC
IB
UEB
UCB
+ +
- -
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).
Unoszenie (dryft)
Unoszenie (dryft)
n-Si
- +
V
EC
EF
Ei -qV
EV
Dyfuzja nośników
Dyfuzja nośników
Dyfuzja
Prędkość termiczna vth
Rozkład prędkości w
Dyfuzja w
różnych kierunkach
prawo
X
Brak dyfuzji
w lewo
Wypadkowy
Wypadkowy
Brak wypadkowego
Brak wypadkowego
przepływ w prawo
przepływ w prawo
przepływu elektronów
przepływu elektronów
(ujemny gradient)
(ujemny gradient)
(dziur) w obszarze o
(dziur) w obszarze o
stałej koncentracji
stałej koncentracji
Zasada działania tranzystora
Zasada działania tranzystora
n
n p n
n p
IE=IB+IC
IE=IB+IC
IB
IB
UEB
UEB UCB
UCB
+
+
-
-
W całym obszarze bazy istnieje zasada obojętności elektrycznej.
W całym obszarze bazy istnieje zasada obojętności elektrycznej.
UPROSZCZONY PRZYKA
AD: Do bazy wpływa 100 elektronów z emitera -
UPROSZCZONY PRZYKA
AD: Do bazy wpływa 100 elektronów z emitera -
natychmiast (np. 10-12s) ładunki muszą się zrównoważyć - czyli np. 99 elektronów
natychmiast (np. 10-12s) ładunki muszą się zrównoważyć - czyli np. 99 elektronów
zostanie odebrane przez kolektor, a jeden zrekombinowany z dziurÄ… (dostarczonÄ…
zostanie odebrane przez kolektor, a jeden zrekombinowany z dziurÄ… (dostarczonÄ…
przez prÄ…d bazy)
przez prÄ…d bazy)
Układy połączeń
Układy połączeń
OE
emiter
n+
wspólny emiter
UCE
UBE
baza
p
WE
n
kolektor
OB WB
OC
UEB UCB
UEC
UBC
WC
wspólna baza
wspólny kolektor
Układy połączeń
Układy połączeń
Współczynnik wzmocnienia prądowego
Współczynnik wzmocnienia prądowego
² ="IC/"IB
Wartość wzmocnienia beta wynosi nawet do kilkuset.
Wartość wzmocnienia beta wynosi nawet do kilkuset.
Ä… ="IC/"IE
" "
Ä… = IC/ IE
Dla większości tranzystorów wartość ą zawiera się w granicach
Dla większości tranzystorów wartość ą zawiera się w granicach
od 0,95 do 0,99, czyli praktycznie 1.
od 0,95 do 0,99, czyli praktycznie 1.
Wzmocnienia prÄ…dowego
Wzmocnienia prÄ…dowego
jest to stosunek sygnału (prądu) wyjściowego do wejściowego
jest to stosunek sygnału (prądu) wyjściowego do wejściowego
Dla WB IC/IE = Ä…
Dla WB IC/IE = Ä…
Dla WE IC/IB = ²
Dla WE IC/IB = ²
Dla WC IE/IB = ² + 1
Dla WC IE/IB = ² + 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 DZIAA
A ZAWSZE TAK SAMO !!!
TRANZYSTOR DZIAA
A ZAWSZE TAK SAMO !!!
Obszary pracy tranzystora N-P-N
Obszary pracy tranzystora N-P-N
Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy
Stan aktywny 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 stosowane sÄ… w technice impulsowej, jak
Stany nasycenia i zaporowy stosowane sÄ… w technice impulsowej, jak
również w układach cyfrowych.
również w układach cyfrowych.
Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowanych,
Stan aktywny inwersyjny 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 prÄ…dowym.
mniejszym wzmocnieniem prÄ…dowym.
Obszary pracy tranzystora P-N-P
Obszary pracy tranzystora P-N-P
UBC
UBC
Polaryzacja
Polaryzacja
Odcięcie
Odcięcie
normalna
normalna
(cut-off)
(cut-off)
(forward)
(forward)
UBE
UBE
Polaryzacja
Polaryzacja
Nasycenie
Nasycenie
odwrotna
odwrotna
(saturation)
(saturation)
(reverse)
(reverse)
Obszary pracy tranzystora N-P-N
Obszary pracy tranzystora N-P-N
UBC
UBC
Polaryzacja
Polaryzacja
Nasycenie
Nasycenie
odwrotna
odwrotna
(saturation)
(saturation)
(reverse)
(reverse)
UBE
UBE
Polaryzacja
Polaryzacja
Odcięcie
Odcięcie
normalna
normalna
(cut-off)
(cut-off)
(forward)
(forward)
Charakterystyki statyczne tranzystora
Charakterystyki statyczne tranzystora
Rodzina charakterystyk statycznych tranzystora
Rodzina charakterystyk statycznych tranzystora
w układzie WE, w którym I1 = IB, U1 = UBE, I2 = IC, U2 = UCE.
w układzie WE, w którym I1 = IB, U1 = UBE, I2 = IC, U2 = UCE.
Charakterystyki statyczne tranzystora
Charakterystyki statyczne tranzystora
nachylenie=gm
Literatura anglosaska:
U=V
Charakterystyki statyczne tranzystora
Charakterystyki statyczne tranzystora
Efekt Early'ego
Efekt Early'ego
Punkt pracy
Punkt pracy
Punkt pracy
Punkt pracy
Punkt pracy
Punkt pracy
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne tranzystora
Tranzystory, tak zresztÄ… jak inne elementy elektroniczne, majÄ…
Tranzystory, tak zresztÄ… jak inne elementy elektroniczne, majÄ…
charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których
charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których
przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora.
przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora.
Do takich właśnie parametrów należą:
Do takich właśnie parametrów należą:
UEB0max - dopuszczalne napięcie
UEB0max - dopuszczalne napięcie
wsteczne baza-emiter
wsteczne baza-emiter
UCB0max - dopuszczalne napięcie
UCB0max - dopuszczalne napięcie
wsteczne kolektor-baza
wsteczne kolektor-baza
UCE0max - maksymalne dopuszczalne
UCE0max - maksymalne dopuszczalne
napięcie kolektor-emiter
napięcie kolektor-emiter
ICmax - maksymalny prÄ…d kolektora
ICmax - maksymalny prÄ…d kolektora
IBmax - maksymalny prÄ…d bazy
IBmax - maksymalny prÄ…d bazy
Pstrmax - maksymalna dopuszczalna
Pstrmax - maksymalna dopuszczalna
moc strat
moc strat
Pasmo wzmocnienia
Pasmo wzmocnienia
Pasmo wzmocnienia jest określone przez własności tranzystora (jego
Pasmo wzmocnienia jest określone przez własności tranzystora (jego
wielkości pasożytnicze) oraz sposób jego współdziałania z obwodem
wielkości pasożytnicze) oraz sposób jego współdziałania z obwodem
wzmacniacza.
wzmacniacza.
Każdy rzeczywisty tranzystor charakteryzuje się różnymi wielkościami
Każdy rzeczywisty tranzystor charakteryzuje się różnymi wielkościami
pasożytniczymi, z których najważniejsze to: rozproszona rezystancja
pasożytniczymi, z których najważniejsze to: rozproszona rezystancja
bazy rbb oraz pojemności baza-emiter Cbe i baza-kolektor Cbk
bazy rbb oraz pojemności baza-emiter Cbe i baza-kolektor Cbk
1
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 prÄ…dowego ² jest mniejszy od jednoÅ›ci.
wzmocnienia prÄ…dowego ² jest mniejszy od jednoÅ›ci.
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
korzystajÄ…c z charakterystyk statycznych tranzystora.
korzystajÄ…c 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.
Model Ebersa-Molla
Model Ebersa-Molla
Ä…R·IR Ä…F·IF
IE
IC
IF IR
IB
UEB UCB
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
Tranzystor jako czwórnik
Tranzystor jako czwórnik
+ i1
i2
+
[y] [z]
v1 v2
[h] [s]
_
_
Macierz hybrydowa (mieszana)
Macierz hybrydowa (mieszana)
u1 = h11i1 + h12u2
i2 = h21i1 + h22u2
Parametry mieszane
Parametry mieszane
u1 = h11i1 + h12u2
i2 = h21i1 + h22u2
impedancja wejÅ›ciowa wzmocnienie prÄ…dowe (²)
impedancja wejÅ›ciowa wzmocnienie prÄ…dowe (²)
u1
h11 =
i1 u2 =0
oddziaływanie wsteczne
oddziaływanie wsteczne
admitancja wyjściowa
admitancja wyjściowa
u1
h12 =
u2 i1=0
Parametry małosygnałowe - oznaczenia
Parametry małosygnałowe - oznaczenia
Parametry mieszane Parametry admitancyjne
h11ea"hie
y11ea"yie
h12ea"hre
y12ea"yre
h21ea"hfe
y21ea"yfe
h22ea"hoe
y22ea"yoe
i=input; r=reverse; f=forward; o=output
Indeks  e oznacza układ połączenia wspólny emiter(WE)
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
KF(IC) = ² · IBS/IC
KF(IC) = ² · IBS/IC
gdzie,
gdzie,
² = IC/IBF
² = IC/IBF
Im większa jest wartość prądu bazy,
Im większa jest wartość prądu bazy,
tym większa jest głębokość nasycenia tranzystora.
tym większa jest głębokość nasycenia tranzystora.
Czasy przełączania
Czasy przełączania
Pojemność włączona równolegle do oporności w obwodzie
Pojemność włączona równolegle do oporności w obwodzie
bazy jest przyczynÄ… przesterowania tranzystora w stanach
bazy jest przyczynÄ… 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 sterujÄ…cego.
generatora sterujÄ…cego.