Krzysztof Jasiński E.D.3.1.

Tranzystor bipolarny. Tranzystor unipolarny.

Tranzystor bipolarny.

Tranzystor jest to element półprzewodnikowy, w zasadzie trójelektrodowy, umożliwiający wzmacnianie mocy sygnałów elektrycznych.

Elementarna struktura tranzystora bipolarnego składa się z trzech wytworzonych na płytce monokrystalicznego półprzewodnika warstw, kolejno npn lub pnp. Warstwy te są nazywane zgodnie z ich funkcjami: E - emiter - dostarcza nośniki mniejszościowe do bazy, B - baza - stanowi podstawę dla obu złączy, C - kolektor - zabiera nośniki wstrzykiwane z emitera do bazy.

Zasada działania.

Działanie tranzystora bipolarnego zostanie rozpatrzone na przykładzie tranzystora npn w stanie aktywnym.

W stanie równowagi, bez polaryzacji rys. 2a, przechodzenie elektronów z emitera i kolektora do bazy tranzystora oraz dziur z bazy do obu przylegających obszarów jest hamowane przez pole utworzone przy obu złączach. Spolaryzowanie złącza emiterowego w kierunku przewodzenia, tzn. przyłożenia napięcia ujemnego na emiter względem bazy, powoduje obniżenie bariery emiterowej rys. 2b. Przez złącze emiter-baza płynie wtedy prąd dyfuzyjny. Wskutek bowiem obniżenia bariery potencjału zostaje zwiększona liczba elektronów wprowadzanych do bazy i zmniejszona liczba dziur wprowadzanych do emitera rys. 2c. Nadmiarowe elektrony wprowadzane do wąskiej bazy poruszają się ruchem dyfuzyjnym w stronę kolektora, jeżeli obszar ten jest jednorodnie domieszkowany . Przy niejednorodnym domieszkowaniu obszaru bazy przepływ wstrzykniętych nośników jest przyśpieszony działaniem pola elektrycznego, jakie powstaje wówczas w obszarze bazy. Po drodze część tych elektronów rekombinuje
z dziurami, które są nośnikami większościowymi w obszarze bazy. Podobnie jak w diodzie, następuje ciągły dopływ dziur od strony zacisku bazy i ciągłe odprowadzanie elektronów z par elektron-dziura powstających w pobliżu tego zacisku. Nadmiarowe dziury wprowadzane natomiast z obszaru bazy do obszaru emitera rekombinują z istniejącymi tam elektronami. Nie uczestniczą one w przepływie prądu kolektorowego i dlatego zmniejsza się ich liczbę przez odpowiednią konstrukcję tranzystora.

Jeżeli złącze kolektor-baza jest spolaryzowane w kierunku wstecznym tzn. kolektor ma wyższy potencjał niż baza, to pole elektryczne występujące w tym złączu powoduje unoszenie nośników
z obszaru bazy do obszaru kolektora. Wartość prądu płynącego przez kolektor może być regulowana przez zmianę wysokości bariery złącza emiterowego, czyli przez zmianę napięcia polaryzującego złącze
emiter-baza.

Właściwości i parametry.

Właściwości tranzystora opisują rodziny jego charakterystyk statycznych i parametry dynamiczne.

Charakterystyki statyczne przedstawiają zależności między prądami: emitera I_E, bazy I_B, kolektora I_C i napięciami: baza-emiter U_BE, kolektor-emiter U_CE i kolektor-baza U_CB, stałymi lub wolno zmieniającymi się. Rozróżnia się charakterystyki: wyjściowe, wejściowe, przejściowe, zwrotne.

Zewnętrzne źródła napięcia E_B i E_C (rys. 3) służą do polaryzacji dwóch złączy tranzystora: kolektor-baza i emiter-baza. Możliwe są cztery warianty polaryzacji, odpowiadające czterem różnym stanom pracy tranzystora: nasycenia - EB i BC w kierunku przewodzenia, przewodzenia - EB
w kierunku przewodzenia a BC w zatkania, odcięcia - EB i BC zatkania, inwersyjnym - EB zatkania
a BC przewodzenia. W obwodzie baza-emiter oprócz źródła E_B może się również znajdować źródło sygnału, a w obwodzie kolektor-emiter - obciążenie. Zacisk emitera jest wspólny dla obwodu we i wy. Dlatego układ nazywa się układem ze wspólnym emiterem OE. Występuje również ze wspólnym kolektorem OC i wspólną bazą OB.

Między napięciami i prądami tranzystora zachodzą następujące relacje:

U_CE=U_BE+U_CB

I_E=-(I_C+I_B)

W przedstawionych układach pracy tranzystor ma zawsze dwa zaciski wejściowe i dwa zaciski wyjściowe, a więc może być traktowany jako czwórnik rys.4.

Czwórnik taki może być opisany parą równań hybrydowych (dla OE):

U_BE=h_11EI_B+h_12EU_CE

I_C=h_21EI_B+h_22EU_CE

W równaniach tych prądy i napięcia mają wartość stałą. Korzystając ze stanu jałowego i stanu zwarcia czwórnika możemy wyznaczyć parametry hybrydowe:

Impedancja wejściowa tranzystora
,

Współczynnik oddziaływania wstecznego
,

Zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego (β₀)
,

Admitancja wyjściowa tranzystora
,

Dla zmiennych wartości napięć i prądów układ równań mieszanych przyjmie postać:

ΔU_BE=h_11eΔI_B+h_12eΔU_CE

ΔI_C=h_21eΔI_B+h_22eΔU_CE

W I ćwiartce rys. 5. przedstawione są charakterystyki wyjściowe przedstawiające związek między prądem kolektora I_C i napięciem kolektor-emiter U_CE. Przebieg ich zależy od prądu bazy I_B, który jest parametrem rodziny krzywych.

Na charakterystykach wyjściowych można wyróżnić kilka zakresów związanych z polaryzacją złączy emiter-baza i kolektor-baza. Najczęściej wykorzystuje się zakres aktywny, w którym złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia (potencjał bazy wyższy od potencjału emitera),
zaś złącze kolektor-baza w kierunku wstecznym (potencjał kolektora wyższy od potencjału bazy).

Najczęściej tranzystor pracuje w zakresie prostoliniowej części charakterystyki. Dla tego zakresu małe zmiany prądu kolektora I_C dają duże zmiany napięcia U_CE. W tym zakresie wyznaczamy parametr h₂₂

W II ćwiartce przedstawiona jest zależność prądu wyjściowego I_C od prądu wejściowego I_B przy stałym napięciu wyjściowym U_CE. Jest to rodzina charakterystyk przejściowych I_C=f(I_B).
Z charakterystyk tych wyznaczamy parametr h₂₁.tranzystora.

W III ćwiartce wykreślona jest zależność I_B=f(U_BE) przy U_CE=const. Jest to rodzina charakterystyk wejściowych.

W IV ćwiartce wykreślona jest zależność U_BE=f(U_CE) przy I_B=const. Jest to rodzina charakterystyk zwrotnych.

Do parametrów dynamicznych tranzystorów bipolarnych należą parametry różniczkowe
i parametry impulsowe.

Parametry różniczkowe są wielkościami opisującymi właściwości tranzystora przy małych sygnałach prądu zmiennego. Sygnały takie występują najczęściej przy pracy tranzystora w układzie elektronicznym na tle sygnałów stałych o dużych wartościach, polaryzujących w odpowiedni sposób elektrody tranzystora, czyli ustalających punkt pracy na charakterystykach statycznych. Do parametrów różniczkowych należą np. współczynniki wzmocnienia α₀ i β₀.

Właściwości częstotliwościowe tranzystora bipolarnego charakteryzują:

• częstotliwość f_α, dla której moduł zwarciowego współczynnika wzmocnienia prądowego α₀ zmniejszy się o 3dB w stosunku do wartości przy małej częstotliwości;

• częstotliwość f_β, dla której moduł zwarciowego współczynnika wzmocnienia prądowego β₀ zmniejszy się o 3dB w stosunku do wartości przy małej częstotliwości;

• częstotliwość f_T, będąca iloczynem współczynnika wzmocnienia prądowego β₀ dla małej częstotliwości i częstotliwości granicznej f_β

Między wymienionymi częstotliwościami zachodzą reakcje

przy czym zależność współczynnika β₀ od częstotliwości ma postać

Ze względu na wartość częstotliwości f_T tranzystory dzieli się na:

• małej częstotliwości (f_T ≤ 3MHz),

• średniej częstotliwości (3MHz ≤f_T ≤ 30MHz),

• wielkiej częstotliwości (30Mhz ≤ f_T ≤ 300MHz),

• bardzo wielkiej częstotliwości (f_T ≥ 300MHz.

W analizie układów elektronicznych tranzystorowi bipolarnemu przyporządkowuje się pewien schemat zastępczy. Istnieje szereg takich schematów. Jeden z uproszczonych schematów, tzw. hybryd
π układu OE, słuszny w zakresie aktywnym dla małych sygnałów i częstotliwości, przedstawiono na poniższym rysunku. Na schemacie tym, występuje dodatkowa rezystancja r<sub>bb`</sub>. Jest to rezystancja obszaru bazy tranzystora między doprowadzeniem zewnętrznym B i tzw. bazą wewnętrzną B`. Wynosi ona od kilkudziesięciu do kilkuset omów. W zakresie większych częstotliwości należy również uwzględnić pojemność złączy (naniesione liniami kreskowymi).

Parametry impulsowe opisują procesy przejściowe podczas przełączania między stacjonarnymi

stanami tranzystora, którymi są stan nieprzewodzenia i stan nasycenia.

Tranzystor unipolarny.

Tranzystory unipolarne, nazywane też tranzystorami polowymi, stanowią grupę kilku rodzajów elementów, których wspólną cechą jest pośrednie oddziaływanie pola elektrycznego na rezystancję cienkiej warstwy nieprzewodzącej. Teoretycznie sterowanie pracą tranzystora unipolarnego może odbywać się bez poboru mocy. W działaniu elementu bierze udział tylko jeden rodzaj nośników ładunku, stąd nazwa unipolarny.

Tranzystor unipolarny złączowy.

Zasada działania.

Tranzystor unipolarny złączowy składa się zasadniczo z warstwy półprzewodnika typu n (w tranzystorach z kanałem typu n) lub półprzewodnika typu p (w tranzystorach z kanałem typu p). Warstwa ta tworzy kanał. Do obu końców kanału są dostarczone elektrody. W obszar kanału wdyfundowuje się domieszki dające obszary przeciwnego typu niż kanał. Wyprowadzenia zewnętrzne tych obszarów nazywa się bramką rys. 7.

Tranzystor unipolarny złączowy ma zatem trzy elektrody:

1. Źródło, oznaczone literą S, jest elektrodą, z której wpływają nośniki ładunku do kanału.

2. Dren, oznaczony literą D, jest elektrodą, do której dochodzą nośniki ładunku.

3. Bramka, oznaczona literą G, jest elektrodą sterującą przepływem ładunków.

Tranzystory unipolarne, których symbole przedstawione na rys. kjkjkjkjkjkj należy polaryzować tak, aby:

• nośniki poruszały się od źródła do drenu,

• złącze bramka-kanał było polaryzowane zaporowo.

Źródło i dren tranzystora unipolarnego są spolaryzowane tak, aby umożliwić przepływ nośników większościowych przez kanał w kierunku od źródła do drenu (rys. 8). W tranzystorze z kanałem typu p od źródła do drenu przepływają dziury, w tranzystorze z kanałem typu n od źródła do drenu przepływają elektrony. Złącze bramka-kanał dla obu typów tranzystorów powinno być spolaryzowane w kierunku wstecznym. Ja wiadomo, w pobliżu złącza pn powstaje warstwa zaporowa nazywana też obszarem ładunku przestrzennego, pozbawiona nośników ruchomych. Ze względu na niejednakowe domieszkowanie warstwa ta wnika głębiej w obszar kanału niż w obszar bramki. Warstwa zaporowa ma dużą rezystancję, powoduje więc zmniejszenie czynnego przekroju kanału, przez który przepływa prąd. Wraz ze wzrostem polaryzacji złącza pn w kierunku wstecznym rozszerza się warstwa zaporowa, czyli zwiększa głębokość jej wnikania w kanał. Zatem dla ustalonego napięcia dren-źródło, rezystancja kanału, a więc i prąd drenu, będzie funkcją napięcia bramka-źródło. Sterowanie przepływem prądu
w tranzystorze unipolarnym zachodzi wskutek zmian pola elektrycznego, co nazywa się efektem polowym.

Tranzystory unipolarne charakteryzują się parametrami dla dużych wartości sygnałów
- nazywanych parametrami statycznymi i dla małych wartości sygnałów - nazywanych parametrami dynamicznymi.

Właściwości statyczne tranzystora unipolarnego opisują rodziny charakterystyk przejściowych
i wyjściowych.

Charakterystyki przejściowe (bramkowe) przedstawiają zależność prądu drenu I_D od napięcia bramka-źródło U_GS przy ustalonej wartości napięcia dren-źródło U_GS.

Charakterystyki wyjściowe (drenowe) przedstawiają zależność między prądem drenu I_D
i napięciem dren-źródło U_GS jako parametrze.

W zakresie małych sygnałów przyjmuje się, że prąd drenu tranzystora unipolarnego, oprócz składowej stałej I_D, zawiera składową zmienną i_d o małej wartości. Podobne składowe mają również napięcia bramka-źródło u_gs i napięcie dren-źródło u_ds. Prąd drenu jest funkcją napięcia bramka-źródło
i napięcia dren-źródło. Funkcja ta dla składowych zmiennych ma postać

przy czym

,

jest nazywana konduktancją wzajemną, nachyleniem charakterystyki bramkowej lub transkonduktancją. W interpretacji graficznej g_m oznacza tg kąta nachylenia stycznej do charakterystyki przejściowej w określonym punkcie.

Następny parametr w tym równaniu r_ds jest nazywany rezystancją drenu lub rezystancją wyjściową

,

Odwrotność r_ds jest konduktancją drenu, oznaczaną jako g_ds. W interpretacji graficznej g_ds oznacza tg kąta nachylenia stycznej do charakterystyki wyjściowej w określonym punkcie.

W zakresie większych częstotliwości należy uwzględnić także pojemności: bramka-dren C_gd, bramka-źródło C_gs i dren-źródło C_ds. Zaznaczone liniami kreskowymi.

Tranzystor unipolarny z izolowaną bramką MOSFET.

Tranzystory z izolowaną bramką są to tranzystory unipolarne, w których bramka jest oddzielona od kanału cienką warstwą izolacyjną, najczęściej utworzoną z dwutlenku krzemu SiO₂. Dzięki odizolowaniu bramki, niezależnie od jej polaryzacji, teoretycznie nie płynie przez nią żaden prąd. Praktycznie w tranzystorach JFET prądy bramki są rzędu 1pA - 10nA, a w tranzystorach MOSFET ok. 1000 razy mniejsze. Dlatego w przypadku tych pierwszych można uzyskać rezystancję wejściową układu rzędu 10⁹ - 10¹² Ω, a w przypadku drugich rzędu 10¹² - 10¹⁶ Ω.

Tranzystory MOSFET mogą mieć wdyfundowany lub nałożony epitaksjalnie kanał między źródłem i drenem, czyli z kanałem wbudowanym lub indukowanym.

W tranzystorach z kanałem wbudowanym przy napięciu U_GS=0 płynie pewien prąd, podobnie jak w tranzystorach JFET, zmniejszający się przy zwiększaniu napięcia sterującego bramki. Dlatego tranzystory te nazywa się normalnie załączonymi lub pracującymi na zasadzie zubożania nośników
w kanale (tranzystory z kanałem zubożonym).

W tranzystorach z kanałem indukowanym, gdy do bramki doprowadzi się napięcie ujemne w stosunku do podłoża (dla tranzystora z kanałem typu n), to źródło zostanie oddzielone od drenu dwoma przeciwnie spolaryzowanymi złączami pn. Jest to tak zwany stan akumulacji. Prąd źródło-dren stanowi wtedy prąd wsteczny jednego ze złączy. Ma on znikomo małą wartość. Mały prą płynie także przy U_GS=0. Dlatego tranzystory te są nazywane normalnie wyłączonymi.

Gdy do bramki doprowadzi się napięcie dodatnie w stosunku do podłożą to po przekroczeniu pewnej jego wartości, tzw. napięcia progowego U_T, przy powierzchni półprzewodnika powstaje warstwa przeciwnego typu niż półprzewodnik stanowiący podłoże. Jest to warstwa inwersyjna. Warstwa ta stanowi zaindukowany kanał, który - po doprowadzeniu napięcia polaryzującego źródło-dren
- umożliwia przepływ prądu od źródła do drenu. Ze wzrostem napięcia U_GS prąd drenu wzrasta, dlatego tranzystory te są nazywane również tranzystorami z kanałem wzbogaconym.

Charakterystyki tranzystorów MOSFET mają przebieg zbliżony do charakterystyk tranzystorów JFET. Można je wyrazić następującymi zależnościami:

w zakresie liniowym

w zakresie nasycenia

Tranzystory MOSFET charakteryzuje się takimi parametrami jak tranzystory JFET.

Tranzystory MOSFET mają czwartą elektrodę - podłoże oznaczane symbolem B. Spełnia ona podobną rolę sterującą jak bramka. Jest jednak oddzielona od kanału tylko złączem pn. Gdy nie korzysta się z funkcji sterującej podłoża, łączy się je ze źródłem. Połączenie to może być wykonane wewnątrz obudowy i wtedy podłoże nie ma wyprowadzenia na zewnątrz.

1

---