VISOKA TEHNIKA KOLA

PULA

ELEKTRONIKA 1

(izvadci predavanja g.2010/2011)Lekcija 3

Dr.sc.Branimir Ruoji

TRANZISTORISADRAJ:

BIPOLARNI SPOJNI TRANZISTOR (BJT)

4POLARIZACIJA BIPOLARNOG TRANZISTORA

9SPOJEVI TRANZISTORA

10TRANZISTORI SA EFEKTOM POLJA (MOSFET)

17

BIP.TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAKOM ELEKTRODOM (IGBT)

23

BIPOLARNI SPOJNI TRANZISTOR (BJT)Naziv tranzistor nastao je kao sloenica dvije engleske rijei: transfer i resistor to u prijevodu znai prenosni otpor. Bipolarni tranzistor moemo shvatiti kao spoj dvaju PN- spojeva (dioda), tj. kao poluvodika cjelina PNP ili NPN tipa u kojoj se sredinji sloj naziva baza B, a preostala dva sloja su emiter E i kolektor C.

Rad spojnih tranzistora osniva se na:

1. injekciji minoritetnih nosilaca, to obavlja propusno polarizirani emiter,

2. transportu tih nosilaca kroz bazu,

3. sakupljanju (kolekciji) u nepropusno polariziranom kolektoru.

U nazivu bipolarni tranzistor sadrana je osnovna znaajka ovog elektronikog elementa, njegovo aktivno djelovanje koje se temelji na sudjelovanju manjinskih i veinskih nosioca naboja slobodnih elektrona i upljina.

Bipolarni spojni tranzistor je etveropol koji nastaje spajanjem dva pn spoja u jedan kristal. Postoje dvije izvedbe, odnosno dva tipa bipolarnih spojnih tranzistora. Tip bipolarnog spojnog tranzistora zavisi o redoslijedu povezanosti pn spojeva i pojavljuje se kao npn i pnp tip prema slici 1. (a). Srednji sloj ini bazu (B), jedan krajnji sloj kolektor (C), a drugi krajnji sloj emiter tranzistora (E). Razlika izmeu kolektora i emitera je u u veoj dopiranosti emiterskog materijala. Sloj baze je najee slabije dopiran i vrlo je uski tako da je udaljenost izmeu dva istovrsno dopirana spoja vrlo mala.

Slika 1. (a) npn i pnp tip tranzistora, (b) praktina izvedba i (c) elektrini simbolPraktina izvedba tranzistora poprima razliite naine. Dva naina praktine izvedbe prikazuje slika 1. (b). Elektrine simbole prikazuje slika 1. (c). Emiter se prepoznaje kao vodi sa strelicom. Strelica pokazuje smjer dogovorenog toka emiterske struje u sluaju propusno polariziranog spoja baza-emiter.Rad bipolarnog tranzistora

Pri opisu rada bipolarnog tranzistora koristi se prikaz na slici 1.1 Opisuje se rad bipolarnog tranzistora npn tipa. Rad tranzistora pnp tipa je slian radu tranzistora npn tipa osim promjena u nositeljima naboja, upljine i elektroni - elektroni i upljine, te suprotnim polaritetima napona i smjerovima struja. Tranzistor moe raditi u tri reima rada i to u reimu zapiranja, zasienja te aktivnom reimu rada. Prvo e se opisati rad tranzistora u aktivnom reimu rada, a zatim naini rada tranzistora u reimu zapiranja i zasienja.

Tok nositelja naboja kod tranzistora npn tipaU aktivnom reimu rada spoj baza-emiter je propusno polariziran naponom uBE, slika 1.1 Spoj kolektor-baza je nepropusno polariziran naponom uCB. Kao pozitivni smjer struje je izabran smjer ulaza struje u tranzistor preko baze i kolektora i izlaza struje iz tranzistora preko emitera.Kod propusno polariziranog spoja baza-emiter tok struje je posljedica gibanja veinskih nositelja. Elektroni difundiraju u bazu iz emitera, a upljine se pomiu od baze prema emiteru. Budui je emiter dopiran vie od baze, u emiterskoj struji prevladava tok elektrona. U podruju baze elektroni postaju manjinskim nositeljima, a budui je sloj baze vrlo tanak, djelovanjem nepropusne polarizacije spoja kolektor-baza elektroni se ubrzavaju prema kolektoru. Meutim dok elektroni prelaze sloj baze, neki se rekombinacijom sa upljinama, kao veinskim nositeljima, uklanjaju. Broj rekombinacijom izgubljenih elektrona je najee 5% njihovog ukupnog broja.

Preko spoja kolektor-baza tee i slaba struja koja je obino posljedica posmaka manjinskih nositelja na nepropusno polariziranom pn spoju. Ta struja se naziva reverznom strujom zasienja i oznaava se kao ICBO. Njezina vrijednost je reda veliine nekoliko mikroampera. Reverzna struja zasienja je struja koja tee od kolektora u sluaju kada je emiter odspojen, to je oznaeno indeksom O.Karakteristike tranzistora

Moe se pokazati da su struje u tranzistoru odreene sljedeim zakonitostima

pri emu je ISE reverzna struja zasienja spoja baza-emiter, parametar oznaava strujno pojaanje zajednike baze i predstavlja dio struje iE koji doprinosi ukupnoj kolektorskoj struji, ICBO je reverzna struja zasienja spoja kolektor-baza u sluaju odspojenog emitera, a UT je toplinski napon odreen izrazom

Napon UT predstavlja naponski ekvivalent temperature i kod temperature od 300 K ima vrijednost 25.861x 10-3 V.

Drugi vaan parametar tranzistora je strujno pojaanje zajednikog emitera izraeno kao

Vrijednost parametra je priblino stalna i blizu je, ali uvijek manja od 1. Najea vrijednost parametra je u rasponu od 0.9 do 0.988, tako da je vrijednost parametra u rasponu od 9 do 500. Promjene parametra su usko vezane s promjenama parmetra . Statike karakteristike zamiljenog tranzistora u spoju zajednike baze (a) karakteristike emitera i (b) karakteristike kolektoraPrethodno navedeni modeli i jednadbe vrijede u sluaju idealnog tranzistora. Modeli i jednadbe u sluaju realnog tranzistora odstupaju od idealnih i najbolje se ogledaju u statikim karakteristikama tranzistora. Statike karakteristike zamiljenog npn tranzistora prikazuje slika 1.3. Emiterske karakteristike, slika 1.3(a), prikazuju zavisnost emiterske struje iE o naponu propusne polarizacije emitera uBE za nekoliko vrijednosti napona uCB. Vidljiva je zavisnost krivulje iE-uBE o naponu uCE. Zavisnost je manja za napone uCE vee od nekoliko volti. Krivulja iE-uBE pokazuje i temperaturnu zavisnost, pa tako kod silicijevog tranzistora, uz stalni iznos struje iE, napon uBE opada za 2 mV kod porasta temperature za 1 K.Kolektorske karakteristike, slika(b), pokazuju zavisnost kolektorske struje iC prema naponu kolektor-baza uCB uz razliite stalne iznose struje iE. Kao to je i za oekivati iz gornjeg izraza, slijedi da je kolektorska struja iC u aktivnom podruju gotovo nezavisna o kolektorskom naponu i zavisi samo o struji iE. U idealnom sluaju, kada bi bilo jednako jedinici, kolektorska struja bi bila jednaka emiterskoj struji, iC = iE. U sluaju realnog tranzistora iC iE i krivulja ima mali nagib koji oznaava slabu zavisnost o naponu uCB. Za vee vrijednosti napona uCB, zavisnost se pojaava, te se u tehnikom podacima o tranzistoru navodi i napon proboja UCBO iznad kojega tranzistor ne moe raditi. Kod toga napona iznos struje iC naglo poraste. Ako se ne prekorae dozvoljeni iznosi struja i temperature, tranzistor moe raditi u podruju proboja.Slijedi opis rada tranzistora u reimu zapiranja i zasienja, prema slici (b). U aktivnom reimu rada, zbog odravanja nepropusne polarizacije spoja kolektor baza, napon uCB > 0. Meutim, kada je uCB < 0, spoj kolektor-baza postaje propusno usmjerenim, kod uCB = -0.6 V, struja koju daje emiter je smanjena te se smanjuje i iC. U tom sluaju spoj kolektor-baza djeluje kao obina spojna dioda i struja moe poprimiti negativnu vrijednost. Opisani rad, kada je uCB < -0.6 V, odgovara radu tranzistora u podruju zasienja. Tranzistor pak radi u reimu zapiranja kada je iE = 0, uz uCB > -0.6 V, emu odgovara iC = ICBO 0 i spoj baza-emiter ne vodi.U nekim elektrinim krugovima tranzistor radi kao dvopolni element, s ulaznim i izlaznim stezaljkama, pri emu baza tvori zajedniku stezaljku. U spoju zajednike baze, karakteristike prikazane na slici 1.3(a) i (b) se nazivaju ulaznim, odnosno izlaznim karakteristikama.

Kolektorske karakteristike bipolarnog tranzistora npn tipa s naponom baza-emiter kao parametrom

Najea primjena tranzistora je u spoju zajednikog emitera, pri emu za ulaz signala slui baza, a izlaz kolektor. U sluaju kada je ulazni napon jednak naponu baza-emiter, izgled izlaznih karakteristika prikazuje slika 1.4. Kada su krivulje priblino linearne do toke prekida, aktivno podruje odgovara naponu uCE izmeu 0.6 do 0.8 V. Ako se linearne krivulje ekstrapoliraju u suprotnu stranu pozitivne osi uCE, sastaju se u toki -UA koja se naziva Early-jevim naponom. Tipina vrijednost napona UA se kod bipolarnih spojnih tranzistora kree u rasponu od 50 do 100 V. Early-jev efekt dovodi do pozitivnog nagiba krivulja, a rezultat je irenja osiromaenog sloja spoja kolektor-baza i smanjenja djelatne irine baze, pri porastu napona uBE. Iz toga proizlazi i obrnuta proporcionalnost struje ISE u odnosu na irinu baze (1.3 -1), to rezultira porastom struje iC prema izrazu (1.3-2). Poveanje struje iC se opisuje dodavanjem posebnog faktora struji ISE, te izraz za iC glasi

Ponaanje spoja zajednikog-emitera zamiljenog npn silicijskog tranzistora prikazuje slika 1.5. Ulazne karakteristike na slici 1.5(a) opisuju zavisnost iB-uBE. Uoljiva je zavisnost o naponu kolektor-emiter, uCE. Uzrok pojave napona proboja u spoju zajednikog emitera je sloeniji negoli kod spoja zajednike baze. Napon iznad kojega tranzistor u spoju zajednikog emitera ne moe pravilno raditi naziva se naponom zadravanja, UCEO, i otprilike iznosi polovicu vrijednosti napona proboja tranzistora u spoju zajednike baze UCBO.

Statike karakteristike zamiljenog tranzistora u spoju zajednikog emitera (a) ulazne karakteristike i (b) izlazne karakteristike

POLARIZACIJA BIPOLARNOG TRANZISTORANajee primjenjivanu metodu postavljanja prednapona bipolarnog tranzistora prikazuje slijedea slika. Postavljanje prednapona tranzistora je postupak odabira vrijednosti napona i struja, UCEQ, ICQ i IBQ, koje uz zadani napon napajanja UCC odreuju radnu toku Q. Pri tome je potrebno voditi rauna o stabilnosti radne toke, tj. zadravanju stalnog iznosa struje kolektora ICQ neovisno o promjeni parametara tranzistora kao to su i ICBQ.

Polarizacija bipolarnog tranzistoraStabilnost radne toke raste porastom otpora RE i smanjenjem iznosa otpora paralelne kombinacije R1 i R2. Otpor paralelne kombinacije R1 i R2 je manji to je struja I2 vea u odnosu na struju IBQ. Poveanje otpora RE s ciljem stabilizacije radne toke pak dovodi do smanjenja izmjeninog pojaanja. Kod postavljanja prednapona tranzistorskog pojaala s bipolarnim tranzistorom ne postoji opi postupak koji bi zadovoljio sve sluajeve. Poslije poetno oblikovanog sklopa izvode se prilagoenja vezana uz zahtjeve koje postavlja izmjenino pojaanje. esto se pri poetnom oblikovanju prednaponskog kruga tranzistora, radi pravilnog hoda izmjeninog napona u kolektorskom krugu, za pad napona na tranzistoru uzima polovica iznosa napona napajanja UCC, a za pad napona na otporniku RC iznos 3UCC/8. U tom sluaju dozvoljeni pad napona na RE iznosi UCC/8, a vrijednost otpora RE je priblino jednaka RC/3. Za zadane vrijednosti napona i struja UCC, ICQ, i IBQ = ICQ/ odabiru se otpori

Kod izbora otpora R1 i R2 treba uoiti da je UB jednako UE + UBE, to za silicij priblino iznosi (UCC/8) + 0.7 V. Ako se odabere I2 = 5 IBQ, onda su otpori

SPOJEVI TRANZISTORA

Pojaanje malih signala i upravljanje veim strujama malim signalima glavna je zadaa elektronikih sklopova. Tranzistor u takvoj aplikaciji postao je najprikladniji aktivni element: malen, pouzdan i ne iziskuje nikakav poseban napon grijanja, kao to je to potrebno kod elektronskih cijevi. Ovisno o vrsti aplikacije najea su tri osnovna naina spajanja tranzistora, a svaki od tih spojeva ima svoje odreene karakteristike.

OSNOVNI SPOJEVI TRANZISTORA:

1. Spoj sa zajednikom bazom,

2. Spoj sa zajednikim emiterom,

3. Spoj sa zajednikim kolektorom.

Za sva tri osnovna spoja bipolarnog tranzistora vano je da PN-spoj emiter-baza bude propusno polariziran, a PN-spoj kolektor-baza zaporno (nepropusno) polariziran, tako da upravljana izlazna struja uvijek tee izmeu emitera i kolektora. Ovako polarizirane PN-spojeve smatramo normalnom polarizacijom tranzistora. Analiza osnovnih spojeva tranzistora provedena je na PNP tipu tranzistora, a kod NPN tranzistora normalna se polarizacija spojeva emiter-baza i kolektor-baza postie suprotnim polaritetom napona napajanja, emu odgovaraju i suprotni smjerovi struja. Pozitivni smjerovi struja oznaeni su prema tranzistoru, a polariteti prednapona oznaeni su u odnosu na zajedniku elektrodu (masu). Strelica na elektrodi emitera kod simbolikog prikaza PNP i NPN trazistora oznaava konvencionalan smjer struje emitera. Kod PNP tranzistora upljine prelaze iz emitera u bazu, te je konvencionalan smjer struje iz vanjskog kruga u tranzistor (pozitivan). Kod NPN tranzistora isti smjer gibanja imaju elektroni, tj. konvencionalan smjer struje je iz emitera u vanjski krug (negativan).

Radi jednostavnijeg kasnijeg smaljenja navedimo osnovne jednadbe struja tranzistora i njene komponente.

IE + IB + IC = 0

IE = IPE + INE

IC = -IPC + ICBO

IB = -INE - IR - ICBO

IR = IPE - IPC

SPOJ TRANZISTORA SA ZAJEDNIKOM BAZOM

U ulaznom strujnom krugu nalazi se emiter kao ulazna elektroda, dok se pojaani signal uzima s kolektora tranzistora (izlazna elektroda). Baza je zajednika elektroda ulaznom i izlaznom krugu, te se ovaj spoj naziva spoj sa zajednikom bazom. Na slici su naznaeni dogovoreni smjerovi struja, izvori napajanja, koji omoguavaju normalnu polarizaciju emiterskog i kolektorskog PN-spoja, te prednaponi za PNP tranzistor.

Vano je naglasiti da i za ovakav spoj mora biti zadovoljen uvjet:

UCC > UEE

Struja IC i napon UCB pripadaju izlaznom krugu, a struja IE i napon UEB ulaznom krugu tranzistora. Pojaanje tranzistora biti e to vee to vei dio emiterske struje stigne do kolektora. U tu svahu potrebno je da:

1. elektronska komponenta struje emitera INE bude to manje, jer se INE zatvara u krugu emiter-baza,

2. rekombinacija u bazi bude to manja.

Uvest emo pojam efikasnost emitera koji je to vei to je vei omjer struja IPE/INE. Faktor injekcije ili efikasnost emitera dana je relacijom:

= IPE / (IPE + INE) = IPE / IE Efikasnost emitera biti e bolja, tj. blia jedinici, to je omjer specifinih vodljivosti E / B vei, a transport upljina kroz bazu povoljniji to je baza ua. Mjera za kvalitetu transporta je transportni faktor *, koji je definiran kao pozitivna bezdimenzionalna veliina:

* = IPC / IPE = 1 (IR / IPE) Na temelju definicija za efikasnost emitera i transportni faktor mogue je struje baze i kolektora izraziti u slijedeem obliku:

IC = -*IE + ICBO

IB = -(1- *)IE - ICBODakle, glavna komponenta struje kolektora izazvana je emiterskom strujom i proporcionala produktu efikasnosti emitera i transportnog faktora, pa se taj produkt naziva faktor strujnog pojaanja tranzistora u spoju zajednike baze.

=*

Sada stuju kolektora i struju baze moemo pisati:

IC = -IE + ICBO

IB = -(1- )IE - ICBO

= - (IC ICBO) / IE = IPC / IEKako je u spoju sa zajednikom bazom emiter ulazna elektroda, a kolektor izlazna elektroda, je faktor proporcionalnosti koji povezuje njihove struje. S obzirom na to da su i * i < 1, znai da je i uvijek manji od jedinice. Granice u kojima se on obino kree su od 0,95 do 0,995. Dakle, tranzistor u spoju zajednike baze stvarno ne poveava struju, ali raspolae sa znatnom mogunou naponskog pojaanja ( od 100 do 5000), jer redovito vrijedi UCB >> UEB . To je omogueno velikom razlikom izmeu ulazne i izlazne otpornosti ovog spoja. Ulazna otpornost je mala i iznosi od 10 do 50 , dok otpornost u kolektorskom krugu moe biti mnogo vea i obino iznosi od 100 -1M.Faktor strujnog pojaanja je do sada bio definiran pomou istosmjernih struja. Ukoliko se emiterska struja promijeni za iznos iE , onda e se i kolektorska struja promijeniti za iC . Struja ICBO ostaje konstantna, jer ona ne ovisi o emiterskoj struji.

iC = - iE ,

= - (iC / iE)Ucb .

Statike karakteristike tranzistora za spoj zajednike baze

Za praktinu primjenu tranzistora vano je poznavati odnose izmeu pojedinih struja i napona tranzistora, tj. ovisnost izmeu pojedinih veliina koje karakteriziraju ulaz i izlaz tranzistora. Ti odnosi sadrani su u statikim karakteristikama koje se snimaju s istosmjernim naponima, a predstavljaju srednju vrijednost karakteristika velikog broja tranzistora odreenog tipa. U svakom osnovnom spoju tranzistora postoje po dva napona i dvije struje koje su u meusobnoj ovisnosti, pa je mogue postaviti 12 familija statikih karakteristika za svaki spoj. Odreenu veu vanost predstavljaju samo etiri familije karakteristika.

STATIKE KARAKTERISTIKE TRANZISTORA:

1. Ulazne karakteristike,

2. Izlazne karakteristike,

3. Prijenosne karakteristike,

4. Povratne karakteristike.

Ulazne karakteristike: IE = f (UEB) ; UCB je parametar

Ulazne karakteristike daju ovisnost ulazne struje IE o ulaznom naponu UEB uz izlazni napon UCB kao parametar.

Izlazne karakteristike: IC = f (UCB) ; IE je parametar

Izlazne karakteristike daju ovisnost izlazne struje IC o izlaznom naponu UCB uz ulaznu struju IE kao parametar. Mali porast struje IC koji nastaje s poveanjem napona UCB moe se objasniti tako to porastom napona na nepropusno polariziranom spoju kolektor-baza poveava se irina podruja potencijalne barijere, a smanjuje se efektivna irina baze. Upravo smanjenjem efektivne irine baze umanjuje se i vjerojatnost ponitavanja manjinskih nosilaca u bazi, pa prema tome i rekombinacija sastavnica struje baze, to izravno utjee na poveanje faktora strujnog pojaanja.

Prijenosne karakteristike: IC = f (IE) ; UCB je parametar

Pijenosne karakteristike daju meusobnu ovisnost izlazne struje IC o ulaznoj struji IE uz izlazni napon UCB kao parametar. Iz ovih se karakteristika odreuje faktor srujnog pojaanja tranzistora.

Povratne karakteristike: UEB = f (UCB) ; IE je parametar

Povratne karakteristike daju meusobni odnos ulaznog napona UEB o izlaznom naponu UCB uz ulaznu struju kao parametar. Iz ovih se karakteristika odreuje faktor naponskog povratnog djelovanja.

SPOJ TRANZISTORA SA ZAJEDNIKIM EMITEROM

U ulaznom strujnom krugu nalazi se baza kao ulazna elektroda, a kolektor je izlazna elektroda. Emiter je zajednika elektroda ulaznom i izlaznom krugu, te se ovaj spoj naziva spoj sa zajednikim emiterom. Na slici su naznaeni dogovoreni smjerovi struja, izvori napajanja, koji omoguuju normalnu polarizaciju emiterskog i kolektorskog PN-spoja, te pednaponi za PNP tranzistor. Struja IC i napon UCE pripadaju izlaznom krugu, a struja IB i napon UBE ulaznom krugu tranzistora.Vano je naglasiti da mora biti zadovoljen uvjet:

UCC > UBBOvaj spoj tranzistora najee se primjenjuje u praksi, jer je u tom spoju snaga potrebna za upravljanje tranzistorom najmanja, a poveanje signala najvee.

U spoju zajednikog emitera vrijedi da je:

UCE = UBE + UCB ,

Dakle, za nepropusnu polarizaciju spoja kolektor-baza mora takoer biti ispunjen uvjet UCE > UBE . Poveanjem napona UCE poveava se i apsolutni iznos napona UCB, a smanjuje se efektivna irina baze. Da bi pritom struja baze zadrala stalnu vrijednost, potrebno je poveati gustou manjinskih nosioca (slobodnih elektrona) na rubu barijere emiterskog spojita, odnosno poveati napon propusne polarizacije UBE spoja emiter-baza.

Ovisnost kolektorske struje o struji baze glasi:

IC = ( /1-) IB + ICBO /(1 - )

Kolektorska struja sastoji se od dva lana. Prvi lan je proporcionalan struji baze, s faktorom proporcionalnosti:

= / (1-)Veliina je faktor strujnog pojaanja tranzistora u spoju zajednikog emitera. Zbog toga to je vrlo blizu jedinici, faktor strujnog pojaanja moe poprimiti znatne vrijednosti, tipino od 20 do 200. Od tuda je vidljivo znatno pojaanje struje u spoju sa zajednikim emiterom. Obzirom na to da redovito vrijedi UCE >> UBE , tranzistor u ovakvom spoju raspolae i sa znatnim naponskim pojaanjem. Od tuda proizlazi da je znatno, takoer, i pojaanje snage to predstavlja razlog zbog kojeg se spoj sa zajednikom bazom najee koristi.

Drugi lan u izrazu za kolektorsku struju je:

ICEO = ICBO / (1-) = ICBO (1+)Struja ICEO predstavlja struju zasienja kolektora kada je struja baze jednaka nuli. Otuda vrijedi da je IC = -IE = ICBO (1+) = ICEO ; uz IB = 0. Vidi se da je struja ICEO za faktor (1+) puta vea od sruje ICBO , tj. one reverzne struje zasienja kolektora kakd je IE = 0. Iz prethodnih jednadbi faktor strujnog pojaanja moemo izraziti kao :

= (IC ICBO) / (IB + ICBO)

Na jednak nain kao i kod spoja zajednike baze mogue je faktor strujnog pojaanja definirati pomou promjena struja kolektora i baze relacijom :

= ( iC / iB )Uce

Statike karakteristike tranzistora za spoj zajednikog emitera

Za tranzistor u spoju sa zajednikim emiterom daju se takoer ulazne, izlazne, prijenosne i povratne karakteristike, koje su definirane na analogan nain kao i u prethodnom spoju. Postoji velika slinost izmeu pojedinih karakteristika za spoj zajednikog emitera i spoj zajednike baze, samo se meusobno razlikuju pojedine oznake napona i struje.

Ulazne karakteristike:

IB = f (UBE) ;UCE kao parametar

Izlazne karakteristike:

IC = f (UCE) ; IB kao parametar

Prijenosne karakteristike: IC = f (IB) ; UCE kao parametar

Povratne karakteristike:UBE = f (UCE) ; IB kao parametar SPOJ TRANZISTORA SA ZAJEDNIKIM KOLEKTOROM

U ulaznom strujnom krugu nalazi se baza kao ulazna elektroda, a emiterj je izlazna elektroda. Kolektor je zajednika elektroda ulaznom i izlaznom krugu, zbog ega se ovaj spon naziva spoj sa zajednikim kolektorom ili emitersko sljedilo. Na slici su oznaeni dogovoreni smjerovi struja, izvori napajanja, koji omoguuju normalnu polarizaciju emiterskog i kolektorskog PN-spoja, te prednaponi za PNP tranzistor. Struja IE i napon UEC pripadaju izlaznom krugu, a struja IB i napon UBC ulaznom krugu tranzistora.

Naravno i ovdje mora biti zadovoljen uvjet:UEE > UBBSpoj sa zajednikim kolektorom karakterizira velika ulazna i mala izlazna otpornost. Koristei ove osobine tranzistor se u ovom spoju esto koristi kao transformator impedancije za prilagoavanje visokoomskih izvora mjernih napona koji se smiju samo malo opteretiti, na instrumente s niskoomskim ulaznim otporima. Otpor troila ukljuen je u emiterski vod i kroz njega teku sruja baze, iz upravljakog kruga, i radna struja emitera. Zbog toga se na njemu gubi dio upravljakog napona. Cjelokupni upravljaki napon spojen je na djelilo napona, koje se sastoji od diferencijalnog ulaznog otpora baza emiter i otpora troila. Poraste li upravljaki napon, povea se i struja troila. Uz to poraste i pad napona na troilu, to smanjuje djelotvorni upravljaki napon izmeu baze i emitera. Zbog ovakvog odnosa otpornosti u ulaznom i izlaznom krugu, te zbog upravljakog napona koji mora obavezno biti vei od izlaznog napona, koji postoji samo na troilu, u spoju sa zajednikim kolektorom nema pojaanja napona, ve samo pojaanje struje. Velika izlazna struja, kod malog izlaznog napona, znai ujedno i mali izlazni otpor. Pri porastu ulaznog napona raste i pad napona na otporu troila, a time i izlazni napon. Ulazni i izlazni napon su dakle u fazi.

Statike karakteristike za spoj zajednikog kolektora

Ulazne karakteristike: IB = f (UBC) ; UEC je parametarIzlazne karakteristike: IE = f (UEC) ; IB je parametar Prijenosne karakteristike: IE = f (IB) ; UEC je parametarPovratne karakteristike: UBC = f (UEC) ; IB je parametar

TRANZISTORI SA EFEKTOM POLJA (MOSFET)Struktura MOSFETA:

-MOSFET znai (Metal Oksid Poluvodi s Efektom Polja), ili (engl. Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Tranzistor). Osnovna struktura MOSFETA prikazana je na slijedeoj slici (sl.1).

(sl.1)

L- Duina kanala (Tipian iznos kod tranzistora VLS i ULS sklopovima iznosi ispod 0.1m, kod sklopova nieg stupnja integracije on je neto vei nekoliko m )

W- irina kanala (ona je osjetno vea od duine kanala)

-Podloga je monokristalna ploica P-tipa debljine reda od 0.1 do 0.3mm. U podlogu se difundiraju dva N+-podruja podloge dubine od nekoliko stotina nm. Ta dva podruja zovu se UVOD (engl. SOURCE), i ODVOD (engl. DRAIN). Podruje izmeu uvoda i odvoda pokriveno je slojem silicij-dioksida debljine reda 0.1m. Iznad oksidnog sloja nanosi se metalna elektroda poznata pod nazivom UPRAVLJAKA ili KONTROLNA elektroda (engl. GATE). Postupokom metalizacije nanosi se metalni sloj iznad N+-podruja uvoda i odvoda, ime se formiraju kontakti uvoda i odvoda.

-U radnim uvjetima formira se INVERZIJSKI SLOJ u podruju ispod upravljake elektrode na povrini Si, izmeu uvoda i odvoda. Inverzijski sloj bogat je slobodnim elektronima koji ine N-vodljivi kanal izmeu uvoda i odvoda a to omoguuje nesmetano gibanje slobodnih elektrona iz uvoda u kanal, kroz kanal i iz kanala u odvod, ime se osigurava protjecanje struje odvodu od odvoda kroz kanal prema uvodu.

-Dimenzije kanala odreene su razmakom N+-podruja uvoda i odvoda i irinom upravljake elektrode.

-Element na (sl.1) vodi s kanalom N-tipa formiranim na P-podlozi i zove se N-kanalni MOSFET. Ako kao podloga slui poluvodi N-tipa tada su uvod i odvod P+-podruja.

-Da bi tekla struja odvoda na povrini ispod upravljake elektrode izmeu P+-uvoda i P+-odvoda, mora postojati P-kanal bogat upljinama, dakle P-inverzijski sloj. Takav tip MOSFETA zove se P-kanalni MOSFET.

-Kod oba tipa MOSFETA uvjet za protjecanje struje kroz tranzistor je inverzija povrine silicija izmeu uvoda i odvoda, odnosno postojanje inverzijskog sloja u kojem manjinski nosioci postaju brojniji od veinskih.

Princip rada:

-U analizi principa rada polazimo od pretpostavki koje olakavaju analizu i u fizikalno i u matematikom smislu. U proraunima nailazimo na aproksimacije, koje ne ugroavaju bitnije rad MOSFET tranzistora.

-Polazei od te predpostavke analizirati emo rad N-kanalnog MOSFETA. Pri tome emo pretpostaviti da je tranzistor spojen prema (sl.2). Podloga tranzistora i uvod su pri tome uzemljeni te su na nultom potencijalu. Da bi tranzistor uope radio neophodno je da se na povrini poluvodia ispod upravljake elektrode formira N-inverzijski sloj. To e se postii ako napon izmeu upravljake elektrode i uvada UGS (napon izmeu upravljake elektrode i uvoda) bude vei od napona praga UGS0 (napon praga). Ako je pri tome napon UDS izmeu odvoda i uvoda jednak nuli, nastupa sluaj opisan na (sl.2a)

(sl.2a)

-to je UGS vei od UGS0 na povrinu poluvodia ispod upravljake elektrode je koncentracija slobodnih elektrona vea od koncentracije upljina u neutralnom volumenu. (Pri UGS=UGS0 , te su koncentracije po definiciji napona praga meusobno jednake), zbog toga postoji inverzijski sloj ili N-kanal izmeu N+ (podruje uvoda) i N+ (podruje odvoda). Neovisno o predznaku napona praga GS0 , veliina GS-GS0, kada je formiran inverzijski sloj ima pozitivan predznak i zapravo je neto-napon upravljake elektrode prema uvodu i podloci s obzirom na napon praga. Taj neto-napon podrava postojanje inverzijskog sloja

-Vertikalno elektrino polje u oksidnom sloju ispod upravljake elektrode usmjereno je od metala upravljake elektrode prema povrini poluvodia gdje silnice polja zavravaju na negativnim elektronskim nabojima. Iznos toga polja je

d0X- Debljina oksidnog sloja iznad kanala

-Vertikalno polje zbog UDS=0, i uzemljenja podloge ima isti iznos za svaki 0UGS0 izaziva rast jakosti elektrinog polja u kanalu FY. To izaziva rast brzine slobodnih elektrona u kanalu, to opet izaziva rast struje odvoda ID. Oito je da e struja rasti pri porastu i UGS i UDS. Vei UGS znai jae polje FOX u oksidnom sloju i veu koncentraciju slobodnih elektrona u kanalu, ime se poveava vodljivost kanala i iznos struje kroz kanal.

-U sluaju na (sl.2e) napon UGS isti je kao u prethodna tri sluaja ali je napon UDS vei od UGS-UGS0. U tom sluaju kanal zavrava na udaljenosti y=L' od uvoda u toki s potencijalom (L')=UGS-UGS0.Efektivno je kanal krai od razmaka L izmeu uvoda i odvoda.

(sl.2e)Veliina L' zove se efektivna duina kanala (engl. effective channel length) za razliku od veliine L koja je zapravo geometrijska duina kanala. U tom sluaju dolazi do efekta skraenja kanala ili do modulacije duine kanala. Taj e efekt biti izraeniji to je UDS vei od UGS-UGS0. Osiromaeni sloj ispod odvoda i kanala ovdje je jo iri nego u sluaju na (sl.2d), jer je odvod jo reverznije polariziran. Kod MOSFET tranzistora s dugim kanalom , gdje je razlika izmeu L i L' zanemariva, struja odvoda odlazi u zasienje im napon UDS dostigne iznos UGS-UGS0. Dalji rast napona UDS seli toku D' u kojoj irina kanala u smjeru x tei nuli blie uvodu. U toki D' potencijal (L') je uvjek isti bez obzira na iznos L' i iznosi (L')=UGS-UGS0 daje porast struje odvoda. Ako je kanal dug biti e L'L, i struja odvoda praktiki ne raste s porastom UDS iznad UGS-UGS0. To podruje rada MOSFET tranzistora zove se podruje zasienja. Podruje karakteristika gdje je UGS>UGS0 i UDSUK i UR=UDS-(UGS-UGS0), irina osiromaenog sloja odvod-podloga na strani podloge, odnosno kanala je:

Gornja relacija aproksimacija je za skraenje kanala tako dugo dok je L mnogo vei od debljine oksidnog sloja d0X. Efekt kanala bit e to izraeniji to je vodljivost podloge manja i to je tranzistor dublje u zasienju. Treba napomenuti da pad irine kanala u smjeru osi x u toki D' na nulu ne znai da struja prekida kroz tranzistor. Slobodni elektroni u toki D' prelaze u osiromaeni sloj desno od te toke gibajui se dalje prema odvodu prelazei u N+- odvod kao manjinski nosioci koji ne vide potencojalnu barijeru.

Simboli MOSFETA

Literatura:

Petar Biljanovi -Poluvodiki elektroniki elementi. kolska knjiga Zagreb BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAKOM ELEKTRODOM

(Insulated Gate Bipolar Transistors-IGBT)

U aplikacijama gdje se zahtijevaju vei radni naponi MOSFET tranzistori i unato svojstvima velike brzine i minimalne snage u upravljakom krugu teko su primjenljiva u poreenju sa klasinim bipolarnim tranzistorima. Naime kod MOSFET a namjenjenim velikim naponima source-drain napon zasienja raste pa su gubici u izlaznom krugu vei u poreenju sa ekvivalentnim bipolarnim tranzistorima. U elji da se iskoriste mali gubitci bipolarnih tranzistora u izlaznom krugu i male upravljake snage ulaznog kruga MOSFET tranzistora koncipirana je jedna nova struktura pod nazivom bipolarni tranzistor sa izoliranom upravljakom elektrodom ili skraeno IGBT.

IGBT je element vrlo slian vertikalnom MOS tranzistoru, pri emu je podloga jae dopirani P-tip spram N-tipu poluvodia. Baza IGBT-a izvedena iz jako dopiranog silicijskog n+-sloja i izolirana od emitera slojem silicijeva oksida. Kolektor tranzistora izveden je iz p+-sloja i nalazi se na suprotnoj strani baze i emitera. Izvod emitera spojen je na aluminijsku metalizaciju strukture.

IGBT je bipolarni tranzistor s integriranim MOS tranzistorom spojenim izmeu njegove baze i kolektora . Bipolarni tranzistor je tranzistor PNP tipa, kojemu je emiter podloga, a kolektor P-podruje spojeno s gornjim slojem metalizacije, koji je ujedno i uvod N-kanalnog MOS tranzistora. Odvod MOS tranzistora spojen je s bazom nadomjesnog tranzistora (driftno podruje) preko suenog dijela N-sloja.

Integriranje tih dviju komponenata, donosi odgovarajuu prednost: kad je IGBT u vodljivom stanju, i bipolarni tranzistor je u vodljivom stanju, tako da modulirana vodljivost driftnog podruja i znatno smanjuje otpornost odvoda MOS tranzistora. Kada bi MOS tranzistor bio odvojena komponenta, zbog izostanka modulacije vodljivosti pad napona kolektor-baza bio bi vei, a vei bi bio i pad napona kolektor-emiter bipolarnog tranzistora u vodljivom stanju.

Nedostatak je te integracije to struktura potiskuje tranzistor u iroku, slabije dopiranu bazu, umjesto u suenu, umjereno dopiranu bazu i irok, slabo dopirani kolektor. Stoga komponenta ne moe dosei udolinu, pa slabije dopirano podruje u IGBT-u mora biti dulje od onoga u signalnom tranzistoru. Zbog toga IGBT u nevodljivom stanju moe na sebe primiti puni napon obiju polarnosti.

Treba uoiti takoer vaan proizvod integracije dviju komponenata - parazitni tiristor. Premda je baza NPN tranzistora kratko spojena sa svojim emiterom, to bi trebalo onemoguiti uklapanje tog spoja, ipak se u tom spoju iskazuje odreeni otpor propusno polariziranog prijelaza. Ako tijekom normalnog rada struja tee bono kroz taj dovoljno veliki otpor, nastaje pad napona koji moe promijeniti stanje NPN tranzistora u vodljivo i zakoiti parazitni tiristor u strukturi. Jedanput zakoeni tiristor ne moe se ni na koji nain prevesti u radno stanje sve dok se preko upravljake elektrode komponenta ne pokrene u nevodljivo stanje. Pojava zapiranja ograniava veliinu maksimalne struje koju moe propustiti IGBT. To se ogranienje s povienjem temperature djelomino smanjuje jer se poveava otpornost kratko spojenog prijelaza emitera i baze. Dakle, ako je iznos poveanja napona u stanju voenja dovoljno velik, dolazi do isklapanja jer struja nabijanja kondenzatora moe okinuti tiristor.

Simbol N-kanalnog IGBT-a

Statike strujno-naponske karakteristike IGBT-aV-I karakteristike (izlazne karakteristike) Definiraju ovisnost struje kolektora Ic o naponu izmeu kolektora i emitera Uce IGBT-a uz napon izmeu baze i emitera Uge tranzistora kao parametar. ID-VGS karakteristika (prijenosna karakteristika) jednaka je onoj u MOSFET-a. Kod veih struja je linearna. Ako je napon VGS manji od napona praga, IGBT je u stanju blokiranja. Maksimalni doputeni VGS obino ograniuje maksimalna doputena struja ID.

Tranzistori IGBT najee se upotrebljavaju kao energetske elektronike komponente u strukturama raznih vrsta pretvaraa gdje se koriste kao elektronike sklopke kod kojih razlikujemo dva stanja tranzistora: stanje voenja kad izmeu kolektora i emitera vlada minimalan napon (napon zasienja) a struja kolektora ograniena je samo vanjskim elementima i stanje blokiranja kada je struja kolektora zanemarivo mala a izmeu kolektora i emitera vlada puni vanjski napon.

Stanje blokiranja (VGS < VGS(th)) gdje je VGS(th)- prag voenja tranzistoraBlokirni napon preuzima p-n prijelaz. Kod PT-IGBT-a n podruje je oko dva puta ue nego kod NPT-IGBT-a

IGBT u stanju blokiranjaStanje voenja (VGS > VGS(th))

p+-podruje injektira upljine. U driftnom n-podruju upljine se kreu i driftom i difuzijom. Kroz kanal (inverzioni sloj) tee struja elektrona.

Dinamika svojstva IGBT-a

Kad se na bazu tranzistora dovede dostatno visok pozitivni napon, nastaje sloj inverzne vodljivosti i potee struja elektrona od emitera prema slabo dopiranom N-podruju. Nakon toga se struja elektrona usmjerava u dubinu toga driftnog podruija i polarizira ga negativo prema P-podruju iz kojega je izveden kolektor.

Budui da je NP prijelaz polariziran propusno, nastaje i snana struja upljina prema N-podruiju koje se, kao i kod bipolarnog tranzistora, nagomila nosiocima naboja kojemu se zbog modulacije vodljivosti, otpornost uvelike smanji. Pri isklapanju tranzistora N-podruije apsorbira difuzijom pristigle upljine, pa se driftno podruje razmjerno brzo oslobaa naboja manjinskih nosilaca.

IGBT u stanju blokiranjaSklopna svojstva IGBT-a slina su svojstvima MOS tranzistora, s razlikom to IGBT moe isklapati neto vee struje te na njegovom spojitu kolektor emiter mogu se narinuti znatno vei zaporni naponi.

Sklopno vrijeme IGBT-a manje je od sklopnog vremena bipolarnog tranzistora i vee od sklopnog vremena MOSFETa. Npr vrijeme je uklapanja IGBT-a oko 0,15(s i priblino je jednako vremenu uklapanja MOS tranzistora ali je vrijeme isklapanja IGBT-a, reda 1(s, blie vremenu isklapanja PNP-bipolarnog tranzistora. Napon Uce IGBT-a u zasienju neto je vei od takva napona bipol. tranz., dok su im maksimalne vrijednosti struje sline. Smanjenje vremena ivota manjinskih nosilaca naboja u bazi bip. tranz. pridonosi brem vremenu isklapanja ali i poveanju propusnog pada napona ili t.z. napona zasienja.

Zbog vrlo male potrebne snage na upravljakoj elektrodi IGBT je u sklopovima energetske elektronike gotovo u potpunosti istisnuo klasine bipolarne tranzistore u srednje i visoko naponskim sustavima (do 1KV). Kod niih radnih napona pogodniji su za uporabu MOSFET elementi zbog vee brzine i manjih gubitaka.

Prilikom projektiranja sklopova sa IGBT-om, treba imati na umu da budui IGBT posjeduje parazitni, njemu paralelni tiristor, element se moe uklopiti ako struja komponente postane dostatno velika ili ako je brzina porasta propusnog napona dostatno velika. Ako i kada se to dogodi, komponenta provede i vie se ne moe iskljuiti preko upravljake elektrode.

LITERATURA:

1. Antun arevi : ELEKTRONIKE KOMPONENTE I ANALOGNI SKLOPOVI2. Biljanovi: POLUVODIKI ELEKTRONIKI ELEMENTI3. Borislav Juzbai : ELEKTRONIKI ELEMENTI4. I. Zulim; S. Gotovac : OSNOVNI POLUVODIKI ELEKTRONIKI ELEMENTI5. http://www.techonline.com/community/tol_newsletter/36904?al=1UEE

+

RE

UEB

-IB

IE

-IC

-UCB

RC

UCC

+

-IB

-IC

IE

RB

UBB

UCC

RC

-UBE

-UCE

+

+

-IB

IE

-IC

RB

UBB

UEE

RE

UBC

UEC

+

+

_1099410867.unknown

_1099411334.unknown

_1099426057.unknown

_1099410998.unknown

_1099410420.unknown

_1099410645.unknown

_1099407473.unknown