View
10
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Platformă de e-learning și curriculă e-content pentru învățământul superior tehnic
Elemente de Electronică Analogică
6. Tranzistoare bipolare (TBIP)
Tranzistorul bipolar-procese fizice
Introducere
Semiconductor eterogen dotat cu impurităţi astfel încât se formează două joncţiuni pn:
regiunea din mijloc – bază - foarte îngustă → pLd
- ordin de mărime: 1,0 .
regiuni laterale – emitor, colector - mult mai dotate
- de acelaşi tip
- au proprietăti electrice şi fizice diferite (prin dotări diferite şi prin dimensiuni diferite).
Procedee de fabricare: - aliere
- difuzie – profilul şi adâncimea zonei difuzate pot fi controlate prin concentraţia de impurităţi, prin temperatura de difuzie şi prin durata procesului de difuzie.
Regimurile de lucru se stabilesc după modul de polarizare a celor 2 joncţiuni:
joncţiunea EB joncţiunea CB
- regiunea activă normală (RAN) direct invers
- regiunea de saturaţie (SAT) direct direct
- regiunea de blocare (BL) invers invers
- regiunea activă inversă (RAI) invers direct
Procese fizice
Tranzistorul este de tip P+NP+, funcţionând în RAN.
joncţiunea EB este polarizată direct: golurile din emitor trec în bază, dar pLd , puţine goluri se recombină, cele mai multe ajung la colector;
acesta este polarizat invers, este un câmp electric puternic care favorizează trecerea golurilor în colector.
- goluri injectate de emitor → colectate de colector
)0()( PrP iiwi
- w este grosimea efectivă a bazei, dw
Se defineşte: factorul de transport în bază:
1)0(
1)0()(
P
r
P
Pt i
ii
wi
joncţiunea EB este polarizată direct: circulă un curent de electroni local datorat difuziei electronilor din bază în emitor. Deoarece baza este mult mai puţin dopată cu impurităti decât emitorul, curentul de electroni va fi mult mai mic decât curentul de goluri:
nPE iii )0(
Se defineşte: eficienţa emitorului:
11)0(
E
n
E
P
ii
ii
joncţiunea CB este polarizată invers: există un curent local al joncţiunii (ca la dioda polarizată invers), invi .
Concluzii:
tensiunea mică de pe joncţiunea EB impune curenţi de colector a căror valoare nu depinde, practic, de tensiunea de pe joncţiunea CB;
dispozitivul se comportă la ieşire ca o sursă de curent – mărime de ieşire (curent) comandată de o mărime de intrare (tensiune) – transfer resistor → transistor.
Tranzistorul bipolar-ecuaţii de funcţionare
Ipoteze simplificatoare:
- model unidimensional;
- concentraţii constante de impurităţi;
- grosimile zonelor neutre ale E şi C >> lungimile de difuzie;
- nivele mici de injectie (conc. purtători injectaţi << conc. maj.);
- se neglijează fenomenele de generare-recombinarev în regiunile de trecere;
- se presupune absenţa altor agenţi externi;
- tranzistor PNP în RAN;
- nppp nppLd ',, → se neglijează regiunea de trecere EB.
Condiţii la limită (de tip Schokley):
)()(;)(
)0()(;)(
3'
4
21
wpeplpenln
peplpenln
kTCqu
nkT
Cqu
p
kTEqu
nkT
Equ
p
Etapa I: Se neglijează curentul de recombinare din bază; curentul de goluri din bază este constant
.)0()( ctjdxdpqDxj ppp sau:
p
p
qDj
dxdp )0(
Se integrează:
xqDj
Cxpp
p )0()(
cu condiiile:
)()()0()(0
wpxpwxCpxpx
xqDj
pxpp
p )0()0()( (variaţie liniară);
Se calculează:
wqDj
pwpp
p )0()0()(
şi rezultă:
)()0()0( wppw
qDj p
p
sau:
kT
CqukT
Equnp
p eew
pqDj )0(
Pentru RAN: q
kTuu CC ,0 → kTEqu
npp e
wpqD
j )0(
Semnificaţia lui w :
'
''02
pn
pnC
pnpn
quUdldw
Se observă că dacă wuC efect de modulaţie a grosimii bazei (ceea ce duce la ideea de reacţie internă în tranzistor).
Etapa II: Se calculează curentul de recombinare pornind de la ecuaţia de continuitate, în regim staţionar:
0)(1
dxxdj
qpp
tp p
p
n
sau:
0)(
)( dx
xdjpxpq p
np
Se integrează pe toată lungimea bazei:
0)()(00
w
p
w
np
xdjdxpxpq
Dar:
rpp
w
p jjwjxdj )0()()(0
Rezultă:
2
00
)0(21)0(
)0()0()(
wqDjqwppq
dxxqDj
ppqdxpxpqj
p
p
pn
p
w
p
pn
p
w
np
r
kT
CqukT
Equnp
pn
kTEqu
np
eew
pqDqD
wpepqw21
kT
CqukT
EqukT
Equ
p
n eeeqwp21
211
Rezultă:
2
2kT
CqukT
Equ
p
nr eewqpj
Pentru RAN:
kTEqu
p
nr e
Dwqpj
2 .
Etapa III: Curentul local de electroni la joncţiunea emitor-bază:
1)0( kT
Equ
n
pnn e
LnqD
j
Etapa IV: Curentul propriu la joncţiunea colector-bază (ca la o joncţiune PN polarizată
invers, dar cu zona P “subţire”→w):
1'
''kT
qu
n
pnnpco
C
eL
nqDw
pqDj
(colectorul este dopat diferit cu impurităţi în comparaţie cu emitorul);
'
''
n
pnnpco L
nqDw
pqDj pentru RAN
(pentru coj s-a luat semnul corelat cu semnul curentului de colector).
Dacă A este aria secţiunilor transversale ale joncţiunilor, curenţii vor fi:
)0()0( npE jjAi
corpcopC jjjAjwjAi )0()(
CEcornB iijjjAi )0(
Determinarea parametrilor tranzistorului:
factorul de injectie al emitorului (eficienta emitorului):
np
pn
n
kTCqu
kTEqu
np
kTEqu
n
pn
p
nnp
p
E
p
pDnD
Lw
eew
pqD
eL
nqD
jjjj
ji
i
1
1
11
1
)0()0(1
1)0()0(
)0()0(
Dar:
pp
ippp
nn
innn
DkTq
nnqqp
DkTq
pnqqn
2
2
→ p
n
np
pn
pDnD
Rezultă:
p
n
nLw
1
1 → 1
- baza mai slab dopată decât emitorul, pn
- baza cât mai îngustă, nLw
factorul de transport:
kTCqu
kTEqu
kTCqu
kTEqu
pkTCqu
kTEqu
np
kTCqu
kTEqu
p
n
p
r
p
rp
p
p
p
pt
ee
eeLw
eew
pqD
eewqp
jj
jjj
jwj
iwi
2211
22
1
)0(1
)0()0(
)0()(
)0()(
2
Rezultă, pentru RAN:
2
211
pt L
w → 1 pLw
Se observă:
coEocoEtcoptcopC iiiiiiiwii )0()(
relaţia fundamentală a tranzistorului:
22
0 211
211
1
1
pp
n
np
p
n
n
Lw
Lw
Lw
Lw
0 este factorul de curent al tranzistorului în conexiunea BC. Valorile tipice sunt apropiate de 1 dar mai mici decât 1.
Tranzistorul bipolar - caracteristicile statice
Caracteristicile statice (în general)
caracteristica de transfer o mărime de ieşire în funcţie de o mărime de intrare:
- )(0 ivv sau )( io vi cu parametru ii ;
- )(0 iiv sau )( io ii cu parametru iv ;
caracteristica de ieşire o mărime de ieşire în funcţie de cealaltă mărime de ieşire cu parametru o mărime de intrare:
- )( oo vi cu parametru ii sau iv ;
- )( oo iv cu parametru ii sau iv ;
caracteristica de intrare o mărime de intrare în funcţie de cealaltă mărime de intrare cu parametru o mărime de ieşire:
- )( ii vi cu parametru ov sau oi ;
- )( ii iv cu parametru ov sau oi .
Caracteristicile statice ale TBIP în conexiunea BC
Caracteristica de ieşire .)( ctiCCC Euii
Relaţii:
coEoC iii
1'
''kT
qu
n
pnnpco
C
eL
nqDw
pqDAi
2
0 211
1
1
p
p
n
n
Lw
Lw
pentru 0Ei ,
1kT
qu
coC
C
eii :
- pentru 0Cu , 0Ci
- pentru 0Cu .0 ctii cC
pentru mAiE 1 ,
110
kTqu
coC
C
eii :
- pentru 0Cu coC ii 10
- anularea lui Ci se face pentru 0Cu
pentru mAiE 2 ,
120
kTqu
coC
C
eii (în mA):
- pentru 0Cu coC ii 10
- anularea lui Ci se face pentru 0Cu , dar la o valoare cu puţin mai mare decât în cazul precedent;
pentru mAiE 3 ,
130
kTqu
coC
C
eii (în mA):
- pentru 0Cu coC ii 10
- anularea lui Ci se face pentru 0Cu , dar la o valoare cu puţin mai mare decât în cazul precedent;
Observaţii:
- caracteristici aproape orizontale, abaterea provenind de la variaţia lui coi şi
a lui 0 cu tensiunea Cu prin intermediul lui w ;
- caracteristici aproape echidistante la creşteri egale ale curentului de emitor provenind de la variaţia lui 0 cu curentul de emitor (colector);
- anularea curentului de colector se face pentru tensiuni de colector pozitive, mici şi foarte apropiate ca valoare pentru diferite valori ale curentului de emitor.
Regimuri de funcţionare:
- regiunea de blocare (tăiere), pentru 0Ei ;
- regiunea activă normală;
- regiunea de saturaţie.
Caracteristica de ieşire .)( ctuCCC Euii
Relaţii:
cokT
qu
cokT
qunp
coEoC iew
ctiew
pqDAiii
EE
00 .
Observaţii:
- caracteristicile nu sunt echidistante;
- panta caracteristicilor este mai mare (w apare şi explicit la numitor şi el scade când tensiunea de colector creşte în modul);
- anularea curentului se face tot pentru valori pozitive ale lui Cu .
Caracteristica de intrare .)( ctuEEE Cuii
Relaţii:
kTqu
npkTqu
kTqu
npE
ECE
ew
pqDAee
wpqD
Ai
(pentru RAN)
Observaţii:
- caracteristica exponentială;
- pentru 0Cu , caracteristica trece prin origine;
- influenţa lui Cu este mică, prin intermediul lui w;
Caracteristica de transfer )( ECC iii sau )( ECC uii
Relaţii:
coEoC iii
Observaţii:
- practic, paralelă cu prima bisectoare;
- la curenţi mari, 0 scade.
Influenţa temperaturii asupra caracteristicilor statice:
Observaţii:
- caracteristicile se deplasează către stânga sus, PSF se apropie de zona de saturaţie.
Aproximarea caracteristicilor (model în curent continuu)
Modelul in curent continuu al unui tranzistor bipolar de tip PNP pentru circuitul de ieşire cu 0ci
Modelul in curent continuu al unui tranzistor bipolar de tip NPN pentru circuitul de ieşire fără 0ci
Observaţii:
- la intrare, tranzistorul poate fi modelat în cea mai simplă formă cu o tensiune de prag, DV , cu valori tipice de 0,2 V pentru Ge şi 0,6 V pentru Si; curentul de emitor este stabilit de circuitul exterior;
- în colector, tranzistorul este modelat printr-un generator de curent comandat de curentul din emitor; de cele mai multe ori se foloseşte egalitatea
EC ii , care presupune că pentru factorul de curent 0 se ia valoarea 1.
Caracteristicile statice ale TBIP în conexiunea EC
Caracteristica de ieşire .)'( ctiCCC Buii
Relaţii:
coEoC iii
BCE iii
Se elimină Ei şi rezultă:
ceoBC iii 0
cu
0
00 1
(factorul de curent al tranzistorului în conexiune EC)
Şi
01 co
ceoii .
Observaţii:
- caracteristicile au panta mai mare deoarece 0 depinde mai puternic de
ECc uuu ' prin intermediul lui w :
p
n
npp
n
np
p
n
np
Lw
Lw
Lw
Lw
Lw
Lw
22
2
0
00
21
1
2111
211
1
- caracteristicile trec printr-un punct foarte apropiat de origine;
- caracteristicile nu sunt echidistante deoarece dependenţa de curentul de colector a factorului de curent în conexiune EC este mai mare decât în cazul conexiunii BC.
Caracteristica de ieşire .')'( ctuCCC Buii
Relaţii:
cokT
qunp
cokT
qunp
coEC iew
pqDAie
wpqD
AiiiBE
'
000
BCECc uuuuu ''
Caracteristica de intrare .')'(' ctuBBB Cuii
Relaţii:
coEcoEECEB iiiiiiii 00 1
p
n
np Lw
Lw
2
0 211 (puternic influenţat de Cu ' )
Observaţii:
- carateristicile nu trec prin origine;
- tensiunea Cu ' are o influenţă mică.
Caracteristica de transfer )( BCC iii , parametru Cu ' ;
Relaţii:
coBC iii 0
Observaţii:
- influenţă mai mare a tensiunii de colector prin intermediul lui w care determină o variaţie mai puternică a lui 0 .
Aproximarea caracteristicilor statice:
Observaţii:
- la intrare, tranzistorul poate fi modelat în cea mai simplă formă cu o tensiune de prag, DV , cu valori tipice de 0,2 V pentru Ge şi 0,6 V pentru Si; curentul de bază este stabilit de circuitul exterior;
- în colector, tranzistorul este modelat printr-un generator de curent comandat de curentul din bază; de cele mai multe ori se foloseşte egalitatea
EC ii , care presupune că relaţia pentru curentul de colector devine: BC ii 0
prin neglijarea curentului rezidual, coi .
Tranzistorul bipolar - modelul Early
Factorii de amplificare in current ai tranzistorului
Tranzistorul este utilizat pentru prelucrarea semnalelor variabile.
Semnalele variabile se aplică în serie cu tensiunile de polarizare - ca urmare, se vor modifica curenţii, deci şi tensiunile pe rezistenţa de sarcină.
În cazul general, semnalul variabil se suprapune peste regimul de curent continuu.
Tranzistorul – element neliniar – adică relaţiile dintre tensiuni şi curenţi sunt neliniare. Liniarizarea se poate face în condiţii de semnal mic.
Definiţie: factor de amplificare în curent: 01
2
2
uii
- pentru conexiunea BC: .ctuE
C
Cii
- pentru conexiunea EC: .'
'ctuB
C
Cii
- pentru conexiunea CC: .''
''ctuB
E
Cii
Conexiunea BC:
Relaţii:
coEC iii 0
rezultă, prin derivare:
..
00
.
00
ctuE
E
ctuEE
ctuEE
E
C
CCCdidu
dudi
didi
didi
Deoarece:
kTqu
npE
E
ew
pqDAi , E
PSFE
E IkTq
dudi
rezultă:
.
00
.
00
1
ctuEEctuEE
CCdud
qkT
IqkT
dudI
Deoarece în RAN 0 depinde puţin de Eu , rezultă: 0 .
Dependenţa 0 de PSF:
Variaţia lui 0 cu curentul de colector (emitor) determinată de:
- generarea de purtători electroni-goluri din zona de trecere ( );
- efecte la nivel mare de injecţie ( t ).
Conexiunea EC:
Relaţii:
.'
'ctuB
C
Cii
1ECBCEBCE iiiiiiii
Factor de amplificare în regim variabil în conexiunea EC: eh21 .
Variaţia lui cu curentul de emitor (colector) este mult mai puternică decât în cazul conexiunii BC.
Conexiunea CC: nu prezintă elemente importante din punct de vedere al regimului static de funcţionare; referirile se fac la conexiunea EC.
Modelul Early
Condiţii:
- semnale variabile mici;
- regim staţionar.
Circuitul de intrare ),( CEEE uuii
Se diferenţiază în jurul unui PSF, CECE IIUUM ,,,
CMC
EE
ME
EE u
uiu
uii
Kuiru
uiui
i
ui
u CEenC
MC
E
ME
EE
mE
EE
11
Se desenează sub forma unui circuit electric:
Observaţii:
- enr - rezistenţa naturală a emitorului:
kTqu
npE
E
ew
pqDAi (pentru RAN: ,0Cu
qkTuC )
E
M
kTqu
np
E
E IkTqe
kTq
wpqD
Aui E
Rezultă:
EE
ME
Een IIq
kT
ui
r 026,011
(valoare mică)
- K - coeficientul de modulaţie a grosimii bazei:
MC
EMC
kTqu
npMC
E
uw
wI
uw
wepAqD
ui E
11
2
MCE
MC
E
MC
E
ME
E
uw
wqkTI
uw
w
kTqI
uiui
K
1
11
(reprezintă influenţa ieşirii asupra intrării prin intermediul grosimii efective a bazei – reacţia internă în tranzistor).
'0
'0'
''0 12
Uuld
pnpn
quUdw C
pn
pnC
'0
'0
'0
1
12
UUU
luw
CMC
Valori tipice pentru K: 53 1010 .
Circuitul de ieşire
Relaţii:
)(),( 0000 CcECEcEC uiiuiiii
Se diferenţiază:
CMC
cC
MCEE
MEEEC u
ui
uu
iii
iii
000
0
CMC
c
MCEE
MEEC u
ui
uii
iii
0000
Se poate scrie sub forma:
CcnEC ugii
Observaţii:
- factor de amplificare în curent în conexiunea BC
- cng conductanţa naturală a emitorului – dependenţa de PSF:
22
0 211
211
pp
n
np Lw
Lw
Lw
CCpCppC u
wwu
wwL
wuw
Lw
Lu
1121
21212
21
0
2
0
MC
EcMC
EMC
ccn u
ww
Igu
iuig
112 00
00
en
cMC
Eccn Krg
kTq
qkT
uw
wIgg 0
00012112
Se obţin valori mici pentru conductanţa naturală a emitorului - S76 1010 - ceea ce conferă TBIP caracterul de generator de curent şi în regim
dinamic.
Pentru semnale rapid variabile, intervin elementele capacitive:
Se adaugă şi rezistenţa distribuită a bazei, 'bbx rr :
Pentru circuitul Early elementele de circuit depind şi de frecvenţă, ceea face dificilă utilizarea lui.
Capacităţile tranzistorului
La joncţiunea emitor-bază – polarizată direct – capacitatea de difuzie este mai importantă decât capacitatea de barieră; la joncţiunea colector bază – polarizată direct – contează ambele componente, mai importantă fiind, totuşi, capacitatea de barieră.
bcdccbedee CCCCCC
Capacităţile de barieră – ca la joncţiunea PN:
0
0
1UU
CCE
bebe
'0
0
1UU
CCC
bcbc
Capacitatea de difuzie este determinată de variaţia sarcinii purtătorilor mobili de sarcină din bază la variaţii ale tensiunii emitor bază respectiv colector-bază.
Relaţii:
Condiţii la limită de tip Shockley:
kTqu
nkT
qu
n
CE
epwpepp )(;)0(
Cantitatea totală de sarcină:
kTqu
nkT
qukT
qu
n
ww
dd
ECE
eqAwpeeqAwp
wppqAwdxxqApdQQ
21
21
2)()0()(
00
Capacitatea de difuzie la joncţiunea emitor-bază:
Ep
kTqU
nME
dde I
kTq
Dwe
kTqqAwp
dudQC
E
221 2
Capacitatea de difuzie la joncţiunea colector-bază:
KC
KkTqI
KDw
Dw
kTq
uw
wqkTe
wpqD
A
uweqAp
dudQC
deE
ppMC
kTqU
np
MC
kTqU
nMC
ddc
E
E
12
121
21
22
Tranzistorul bipolar – modelul Giacoletto
Modelul Giacoletto
Este un model pentru care parametrii nu depind de frecvenţă până la o valoare foarte mare a acesteia ( f5,0 ).
Se deduce din modelul Early:
CE en E
C E cn C
uu r iK
i i g u
Prima relaţie se scrie:
en
C
en
EE Kr
urui
sau:
en
CEE
enE
enE Kr
uuur
Kur
i
11
care se scrie sub forma:
o
CEE
en
EE r
uuuSrui
Analog, relaţia a doua se scrie:
Cen
cnen
CE
en
Ccnen
C
en
ECcnCC
uKr
gKr
uur
K
ugKr
uruugii
11
sau:
ru
ruuuSi C
o
CEEC
Se desenează, sub forma unui circuit electronic, cele două relaţii:
Interpretarea parametrilor
CCoen
o
enenII
kTq
rrrKS 40
1
S este panta tranzistorului, în VmA
, pentru CI în mA; (VmAS 40 pentru
mAIC 1 );
SSrr en
1
11
(reprezintă curentul local al joncţiunii EB, valori tipice de k pentru CI de
ordinul ma) - se pune în evidenţă relaţia: oSr ;
Ceno qI
kTKS
KKrr
(reprezintă reacţia internă a tranzistorului, valori tipice de 54 1010 ) – dependentă de PSF şi de frecvenţă;
encocn
encn Kr
gSK
gKr
gr
11111
(dependnt de PSF şi de frecvenţă, valori tipice pentru r de 10106 );
xr -rezistenţa distribuită a bazei, valori tipice zeci – sute Ω .
Schema se poate desena şi pentru conexiunea EC.
Schema simplificată pentru frecvenţe joase
Recommended