Charakterystyka tranzystora

Ćwiczenie 49

Wstęp teoretyczny

Tranzystor stanowi układ półprzewodnikowy, składający się z dwóch złącz p-n, zrealizowanych w jednym krysztale (Rys. 1). W tranzystorze istnieją trzy obszary: emiter, baza i kolektor. Złącze na granicy emiter-baza nazywa się emisyjnym, a na granicy bazy-kolektor nazywa się kolektorowym.

a)

Rys 1. Schematyczne przedstawienie tranzystorów n-p-n i p-n-p

Przewodnictwo bazy może być elektronowe lub dziurowe i w związku z tym rozróżnia się tranzystory ze strukturami p-n-p i n-p-n (Rys. 1.a). Zasada pracy tranzystorów obu typów jest jednakowa, różnica sprowadza się do tego, że w tranzystorze ze strukturą p-n-p prąd większościowy płynący z emitera do bazy jest prądem dziurowym, a tranzystorze n-p-n jest prądem elektronowym.

Tranzystor dołączony jest do napięć zasilających tak, że prąd emitera płynie w kierunku przewodzenia, a prąd kolektora w kierunku zaporowym. Na rysunku 1.b przedstawione są graficzne symbole tranzystorów. Emiter zaznaczony jest w postaci strzałki, która pokazuje zwrot prądu emitera (zgodny z kierunkiem ruch dziur, a odwrotny do kierunku ruchu elektronów). Gdyby złącza (przejście) emisyjne i kolektorowe znajdowały się dość daleko od siebie, tzn. gdyby grubość bazy była dużo większa od długości drogi dyfuzji, to nośniki ładunku „wstrzykiwane” z emitera do bazy nie dochodziłyby do kolektora, lecz ulegałyby rekombinacji w bazie. Taki układ złącz p-n działałyby jak dwie niezależne od siebie diody połączone w szereg, w taki sposób, że przejście emiter-baza odpowiadałyby kierunkowi przewodzenia, natomiast przejście baza-kolektor odpowiadałoby kierunkowi zaporowemu.

Osobliwość tranzystora zawiera się we wzajemnym oddziaływaniu obu przejść na siebie. Aby efektywność wpływu przejścia emisyjnego na przejście kolektorowe była duża, muszą być spełnione następujące warunki:

1. Grubość bazy tranzystora d_b powinna być dużo mniejsza od długości drogi dyfuzji emitowanych nośników.

2. Baza powinna mieć koncentrację nośników większościowych dużo mniejszą od koncentracji emitera. Koncentrację nośników większościowych kolektora dobiera się nieco mniejszą od emitera.

3. Powierzchnia przejścia kolektorowego powinna być kilka razy większa od powierzchni przejścia emisyjnego.

Przy dołączonym napięciu kolektorowym U_K (bez napięcia U_E) w kierunku zaporowym, w obwodzie kolektor-baza pojawi się słaby prąd rzędu kilku μA - nośników mniejszościowych. Prąd ten nazywa się niesterowanym prądem kolektora I_K0. Po dołączeniu napięcia emisyjnego U_E w kierunku przewodzenia w obwodzie emitera pojawi się dużo silniejszy prąd I_E rzędu mA - nośników większościowych. W zasadzie jest to prąd elektronowo-dziurowy, więc:

I_E= I_En+ I_Ep,

gdzie I_En - prąd elektronowy, I_Ep - prąd dziurowy. Baza dysponuje jednak dużo mniejszą koncentracją nośników większościowych niż emiter, więc jeden z wymienionych prądów składowych jest dużo większy niż drugi. W przypadku tranzystora p-n-p, jaki będzie przedmiotem dalszych rozważań, prąd dziurowy emitera jest dużo większy od prądu elektronowego bazy:

IEp≫ IEn

Sprawnością emitera nazywany jest stosunek

Można więc powiedzieć, że praktycznie biorąc prąd emitera jest reprezentowany tylko przez nośniki jednego znaku (albo elektrony albo dziury), mianowicie przez nośniki większościowe emitera.

Okazuje się, że tylko niewielka część tych nośników wychodzących z emitera do bazy daje prąd IB (rzędu μA) w obwodzie baza emiter. Lwia ich część przenika, na drodze dyfuzji, cienką warstewkę bazy i wchodzi do kolektora (czemu sprzyja zwrot napięcia UK) powodując przepływ silnego prądu (rzędu mA) IK w obwodzie kolektor-baza (Rys. 2). Właściwie prąd IK dodaje się do prądu zaporowego IK0, jaki płynie przez złącze kolektor-baza. Prąd ten jako bardzo słaby (rzędu μA) może być zaniedbany w

porównaniu z I_K. Można patrzeć na rozdział nośników emitera jako na rozgałęzienie prądu I_E dokonujące się w bazie. Na podstawie prawa Kirchhoffa można napisać:

IE = IK + IB

Rys 2. Rozpływ prądu emitera.

Jest rzeczą interesującą, jaka część prądu emitera I_E zostaje przeniesiona przez bazę do kolektora; wyraża to współczynnik przeniesienia

jego wartość wynosi 0,95÷0,99.

A więc prawie cały prąd emitera wchodzi do kolektora (przechodząc „tranzytem” przez bazę), a tylko jego nieznaczny ułamek odgałęzia się do bazy.

Można również postawić pytanie: ile razy prąd kolektora I_K jest wzmocniony w stosunku do prądu bazy I_B. Wyraża to współczynnik wzmocnienia prądowego:

jego wartość jest zawarta w granicach 20÷100.

Na podstawie wprowadzonych oznaczeń można uzasadnić, że współczynnik β wyraża się następującą zależnością

z której wynika, że dla uzyskania dużej wartości, trzeba nadać współczynnikowi α wartość bliską 1.

Wzmocnienie prądu w obwodzie kolektora w stosunku do prądu w obwodzie bazy jest wyrazem zasadniczej właściwości tranzystora, znajdującej szerokie zastosowanie w urządzeniach elektronicznych

4

5

8.05.2000

prof. E. Dębowska

Marcin Grześczyk

II rok „bis” - Fizyka

b)

---