INSTYTUT PODSTAWOWYCH PROBLEMÓW ELEKTROTECHNIKI I ENERGOELEKTRONIKI

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ W GLIWICACH

LABORATORIUM Z ELEKTRONIKI

TEMAT: Tranzystor bipolarny i unipolarny.

Opracował :

Marek Kalita

Michał Balcer

Zbigniew Filipek

MiBM sem. VI gr.5 sekcja 1

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z: teorią wyjaśniającą działanie tranzystora, podstawowymi modelami tranzystora, jego własnościami w układzie pracy OE oraz podstawowymi parametrami technicznymi dla tego układu pracy. Program ćwiczenia obejmuje wyznaczanie charakterystyk statycznych i prądów zerowych oraz wyko­rzystanie tych pomiarów do wyznaczania parametrów modeli tranzystora.

1. Tranzystor bipolarny

Podstawowe wiadomości o tranzystorze bipolarnym

Tranzystorem bipolarnym nazywamy element półprzewodnikowy posiadający zdolność wzmacniania sygnałów prądu stałego i zmiennego. Posiada on dwie podstawowe struktury p-n-p i n-p-n, w których działaniu istotną rolę odgrywają jednocześnie oba rodzaje nośników prądu, tj. dziury i elektrony. Tranzystor bipolarny jest strukturą złożoną z trzech podsta­wowych warstw nazywanych emiterem E, bazę B i kolektorem C. Obszary graniczne tych warstw tworzą złącza p-n, z których złącze baza - kolektor jest spolaryzowane zaporowo i spełnia rolę sterowanego źródła prądowego, przez które płynie prąd nośników mniej­szościowych. Natomiast złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia i spełnia rolę układu sterującego źródłem prądowym poprzez kontrolowane wstrzykiwanie nośników mniejszościowych w obszar bazy. Tak więc emiter jest warstwą dostarczającą nośników mniejszościowych do bazy, z której są one zbierane do obszaru kolektora.

Podstawową technologią współcześnie stosowaną w produkcji tranzystorów jest techno­logia epiplanarna, w wyniku której powstają tranzystory o niejednorodnym rozkładzie koncentracji domieszek w bazie zwane tranzystorami dryftowymi (lub z niejednorodną bazą). W tranzystorach tego typu podstawową rolę odgrywa dryftowy mechanizm transportu norników ładunku, z tym że istnieje też transport dyfuzyjny, o niewielkim znaczeniu, powodujący występowanie pewnych drugorzędnych zjawisk w tranzystorze. W niewielkich ilościach wytwarzane są jeszcze tranzystory stopowe charakteryzujące się równomiernym rozkładem koncentracji domieszek w bazie (zwane też bezdryftowymi lub dyfuzyjnymi), w których podstawowym mechanizmem transportu jest dyfuzja nośników ładunku. Powodem utrzymywania się w produkcji tej technologii są takie zalety tych tranzystorów jak: wartości napięcia przebicia złącza baza-emiter i możliwość realizacji układu klucza symetrycznego.

Jak już wspomniano, tranzystor jest elementem wzmacniającym przy polaryzacji E-B w kierunku przewodzenia, a złącza B-C w kierunku zaporowym. W ogólnym przypadku tranzystor może pracować również przy innych warunkach polaryzacji, określających cztery podstawowe zakresy pracy tranzystora:

• zakres aktywny normalny (N)

złącze E-B spolaryzowane w kierunku przewodzenia

złącze B-C spolaryzowane w kierunku zaporowym

• zakres nasycenia

złącze E-B i złącze B-C spolaryzowane w kierunku przewodzenia

• zakres odcięcia (zablokowania)

złącze E-B i złącze B-C spolaryzowane w kierunku zaporowym

• zakres aktywny inwersyjny (I)

złącze E-B spolaryzowane w kierunku zaporowym złącze B-C spolaryzowane w kierunku przewodzenia.

Trzy ostatnie warunki polaryzacji spośród wymienionych powyżej znajdują zastosowanie przede wszystkim w układach impulsowych.

Typowy tranzystor jest elementem trójkońcówkowym, można go więc traktować jako szczególny przypadek czwórnika, w którym jedna z końcówek jest wspólna dla wejścia wyjścia. Spośród sześciu możliwych kombinacji praktyczne zastosowanie mają trzy układy tj.: układ ze wspólną bazą (WB lub OB), układ ze wspólnym emiterem (WE lub OE) I układ ze wspólnym kolektorem (WC lub OC) - rys. 1.1. Każdy z tych układów charakteryzuje się wzmocnieniem mocy większym od jedności. Tranzystor zawsze działa jednakowo niezależnie od układu włączenia, tym niemniej należy zdawać sobie sprawę, że właściwości jego są bardzo różne w trakcie pracy w każdym z tych układów włączenia.

Rys 1. Układy włączenia (pracy) tranzystora a)OB b) OE c) OC

Charakterystyki statyczne w układzie OE

W układzie wspólnego emitera OE rozpatrywanego jako czwórnik mamy następujące przyporządkowanie prądów i napięć:

I₁ = I_B, I₂ = I_C, U₁ = U_BE, U₂ = U_CE.

Interesują nas więc następujące rodziny charakterystyk

U_BE = f(I_B) dla U_CE = const,

U_BE = f ( U_CE) dla l_B = const,

I_C = f(I_B) dla U_CE = const,

I_C = f(U_CE) dla I_B = const.

Charakterystyki wejściowe

Złącze emiterowe znajdujące się na wejściu tranzystora w stanie aktywnym jest spolary­zowane w kierunku przewodzenia. W związku z tym charakterystyka tego złącza ma kształt logarytmiczny, analogiczny do charakterystyki napięciowo-prądowej złącza p-n.

W rzeczywistym tranzystorze charakterystyki wejściowe nie przechodzą przez początek układu współrzędnych. Dokładna analiza równań prowadzi do tego samego wyniku, a mianowicie:

U_BE = 0, U_CE > 0; a prąd bazy I_B przyjmuje pewną wartość ujemną I_B < 0;

I_B = 0, U_CE > 0; napięcie U_BE > 0.

Fizyczne wyjaśnienie tego zjawiska jest następujące: w bazie tranzystora generują się pary elektron-dziura; następnie elektrony są usuwane przez złącze kolektorowe, a pozostające dziury tworzą w bazie ładunek przestrzenny polaryzujący w nieznacznym stopniu złącze emiterowe w kierunku przewodzenia.

Badanie charakterystyki wejściowej wykazuje istnienie zależności jej przebiegu od wartości napięcia U_CE. Tak więc przy stałym prądzie bazy I_B wzrost bezwzględnej wartości napięcia U_CE powoduje wzrost napięcia U_BE, lub przy utrzymywaniu stałej wartości napięcia na bazie U_BE obserwujemy zmniejszanie prądu bazy I_B. Zjawisko to wywołane jest efektem modulacji szerokości basy tranzystora. Przy wzroście napięcia U_CE nasi spadek efektywnej szerokości bazy, a tym samym maleje ilość rekombinujących nośników prądu, co prowadzi do wspomnianego efektu.

Charakterystyki wyjściowe

Tranzystor znajduje się w normalnym stanie aktywnym, gdy napięcie U_CE ≥ U_BE. Zakres ten powinien więc charakteryzować się stałą wartością prądu kolektora dla danej wartości prądu bazy I_B niezależnie od wartości napięcia U_CE.

Sugeruje to istnienie prądu zerowego płynącego przez tranzystor przy prądzie I_B = 0, co jest zgodne z rzeczywistością. W rzeczywistym tranzystorze w tym zakresie pracy obserwuje się jednak wzrost wartości prądu przy wzroście napięcia U_CE. Nachylenie chara­kterystyki wejściowej dla układu OE jest większe niż dla układu OB. Zjawisko to powodo­wane jest przez dwa efekty:

• modulację szerokości bazy, analogicznie jak w układzie OB,

• dodatkowe wstrzykiwanie nośników ładunku z emitera, spowodowane przez fakt dodat­kowej polaryzacji złącza emiterowego w kierunku przewodzenia przez napięcie U_CE, które dzieli się pomiędzy złącza kolektorowe i emitorowe.

Dla napięć U_CE < U_BE obydwa złącza tranzystorowe znajdują się w stanie przewodzenia. W związku z tym przy U_CE = 0 przez tranzystor płynie prąd kolektora rzędu kilkudziesięciu mikroamperów, a przy I_C = 0 pomiędzy kolektorem i emiterem istnieje napięcie U_CE rzędu kilku miliwoltów. Tym samym charakterystyki wyjściowe nie rozpoczynają się w początku układu współrzędnych, ale zjawisko to ma istotne znaczenie tylko w niektórych zastoso­waniach tranzystorów.

Charakterystyki przejściowe

Przy normalnej pracy tranzystora (U_CE ≥ U_BE) prąd kolektora zależy wprost proporcjonalnie od prądu bazy. W rzeczywistym tranzystorze występuje niewielka nieliniowość spowodowana zależnością wartości współczynnika wzmocnienia prądowego β_N = f(I_C) od prądu kolektora I_C.

Wpływ wartości napięcia U_CE na przebieg tej charakterystyki spowodowany jest zjawiskiem modulacji efektywnej szerokości bazy.

Charakterystyki zwrotne

Charakterystyki zwrotne tranzystora rzeczywistego wykazują istnienie sprzężenia zwrotnego pomiędzy wyjściem i wejściem tranzystora. Zjawisko to objawia się istnieniem nachylenia tych charakterystyk, a spowodowane jest efektem modulacji efektywnej szerokości bazy sprzężonym z dodatkową polaryzacją złącza emiterowego poprzez napięcie U_CE.

2. Tranzystory unipolarne MOSFET

Unipolarne (polowe) tranzystory mocy MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) pojawiły się w roku 1978. Ogólna koncepcja budowy i działania tranzystora MOSFET mocy i konwencjonalnego słaboprądowego jest taka sama, różnice występują natomiast w konstrukcji. W tranzystorze unipolarnym MOSFET, podobnie jak w tranzystorze bipolarnym, wykorzystuje się dwa rodzaje półprzewodni­ka, który tworzy trzy warstwy n-p-n lub p-n-p. Oprócz dwóch elektrod głównych źródła (Source - S) i drenu (Drain - D) oraz elektrody sterującej - bramki (Gate - G), stano­wiących odpowiedniki emitera, kolektora i bazy, tranzystor polowy posiada jeszcze jedną elektrodę zwaną podłożem (Base - B), która służy do wstępnej polaryzacji tranzystora. W tranzystorach mocy podłoże jest zazwyczaj już wewnątrz przyrządu zwarte ze źródłem, tak że na zewnątrz są wyprowadzone tylko trzy końcówki. Z kolei elektroda sterująca - bramka (G) nie ma galwanicznego połączenia ze środkową warstwą półprzewodnika (tak jak to jest zrobione w tranzystorach BJT), lecz jest oddzielona od podłoża warstwą izolacyjną wykonaną z tlenku krzemu.

Istotę działania tranzystora unipolarnego najwygodniej wyjaśnić posługując się rys.2, na którym w sposób uproszczony przedstawiono konstrukcję i charaktery­styki tranzystora MOSFET z kanałem wzbogacanym typu n. Prąd w kanale pomiędzy elektrodami głównymi jest strumieniem nośników większościowych dostarczanych przez źródło (S) i odbieranych przez dren (D). Elektrody główne źródło i dren są podłączone do półprzewodnika typu n, zaś podłoże (B) stanowi półprzewodnik typu p. Nośnikami większościowymi dla źródła i drenu są, więc elektrony. Aby tranzystor mógł przewodzić, musi powstać w obrębie podłoża kanał o właściwościach typu n.

Rys.2. Tranzystor MOSFET z kanałem typu n (kanał normalnie wyłączony).

1. struktura, b) symbol graficzny, c), d) charakterystyki

Kanał taki można uzyskać albo przez wbudowanie w warstwę podłoża typu p warstwy półprzewodnika typu n, albo przez odpowiednie sterowanie polem elektrycznym wewnątrz podłoża. W pierwszym przypadku powstaje kanał normalnie załączony, którego zamknięcie następuje w wyniku zmniejszenia liczby nośników w kanale, co z kolei uzyskuje się przez podanie na bramkę napięcia ujemnego względem źródła. Kanał tego rodzaju nosi nazwę kanału zubożanego. W drugim przypadku wykorzy­stuje się fakt, że poprzez podanie napięcia na bramkę uzyskuje się zmianę konfigu­racji pola elektrycznego wewnątrz półprzewodnika podłoża. Przy wzroście napięcia bramki następuje więc zmiana rozkładu ładunków przestrzennych, co przy odpo­wiedniej konstrukcji przyrządu powoduje pojawienie się kanału typu n, przez który może płynąć strumień nośników większościowych (elektronów). Kanał tego typu nosi nazwę kanału wzbogacanego.

O ile w elektronice można się spotkać ze wszystkimi czterema typami tranzysto­rów MOSFET, a mianowicie z tranzystorami z kanałem typu n wzbogacanym i zubo­żanym oraz z kanałem typu p wzbogacanym i zubożanym, to w energoelektronice najczęściej korzysta się z tranzystorów z kanałem typu n wzbogacanym (przy braku sygnału sterującego zawór nie przewodzi, czyli zachowuje się jak styk normalnie otwarty - zwierny), jako że ten typ tranzystorów MOSFET posiada najkorzystniejsze właściwości elektryczne. Rzadziej korzysta się z tranzystorów z kanałem typu p wzbogacanym, zaś tranzystorów z kanałem zubożanym praktycznie się w energo­elektronice nie stosuje. Przy zaznaczaniu kierunków prądów i napięć tranzystorów z kanałem p stosuje się takie samo ostrzał kowanie prądów i napięć jak w tranzysto­rach z kanałem n, lecz w normalnych warunkach pracy przy przewodzeniu prądy i napięcia przyjmuje wartości ujemne.

Bramka tranzystora MOSFET jest izolowana od pozostałych elektrod, pobór gradu jest więc znikomy, a wzmocnienie mocy (teoretycznie) nieskończenie duże. W typo­wych MOSFET-ach mocy maksymalne napięcie obwodu bramka-źródło U_GSm wynosi najczęściej około +20V. Przekroczenie tego napięcia może spowodować uszkodze­nie izolacji tlenkowej, a w efekcie uszkodzenie tranzystora. Trzeba więc o tym pa­miętać przy projektowaniu i konstrukcji obwodów sterowania tranzystorów MOSFET. Ze względu na bardzo dużą impedancję wejściową tranzystorów MOSFET istnieje również możliwość ich uszkodzenia przy montażu pod wpływem niewielkich statycz­nych ładunków elektrycznych. Ładunki takie mogą się pojawić w wyniku dotknięcia, a nawet indukcji elektrostatycznej. Pojemność obwodu bramka-podłoże jest bardzo mała. Z zależności: U = Q / C wynika, że pojawienie się nawet niewielkich ładunków elektrycznych może spowodować wzrost napięcia bramki powyżej wartości dopuszczalnej, a w wyniku nieodwracalne uszkodzenie izolacji bramki i całego tranzystora.

Współczesne tranzystory mocy posiadają zazwyczaj konstrukcję wielosegmentową z wbudowaną diodą zwrotną. W strukturę tranzystora MOSFET można również wbudować dodatkowe układy zabezpieczające, sygnalizujące itp. Możliwości te wykorzystuje się przy budowie scalonych układów mocy (PIC). MOSFET-y mocy bywają wykonywane jako pojedyncze elementy, ale często spotyka się również moduły elektroizolowane zawierające gotowe podzespoły wykonane z tranzystorów MOSFET i ewentualnie z innych elementów.

Tranzystory MOSFET posiadają wiele zalet. Najważniejsze z nich to:

• duża szybkość przełączania, dzięki czemu istnieje możliwość pracy przy wysokich częstotliwościach (powyżej 1 MHz) z małymi stratami przełączania,

• duża przeciążalność prądowa wynosząca około 5 i więcej,

• stabilne charakterystyki,

• stosunkowo proste układy sterowania i zabezpieczeń,

• stosunkowo duża odporność na zakłócenia, w tym również na promieniowanie.

Niekorzystnymi cechami MOSFET-ów są natomiast mniejsze zakresy napięciowo-prądowe i wyższe spadki napięcia w stanie przewodzenia niż tranzystorów bipolar­nych. Zastosowanie ich ogranicza również fakt, że są one (obecnie) droższe od tranzystorów bipolarnych.

3. Parametry małosygnałowe tranzystora bipolarnego w układzie OE

Impedancja wejściowa przy zwartym wyjściu

Admitancja wyjściowa przy rozwartym wejściu

Współczynnik oddziaływania wstecznego przy rozwartym wejściu

Współczynnik wzmocnienia prądowego przy zwartym wyjściu

10

---