Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
2018-05-08
1
ELEMENTY ELEKTRONICZNE
AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE
Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji
Katedra Elektroniki
dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, [email protected]
dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, [email protected]
TRANZYSTOR BIPOLARNY
E+EiT 2018 r. PD&IB 2
2018-05-08
2
TRANZYSTOR BIPOLARNY WSTĘP
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 3
Czy wiesz, że……: …. do niedawna tranzystor bipolarny był najpowszechniej stosowanym elementem półprzewodnikowym, wypowiadając słowo „tranzystor” rozumiano, że chodzi o tranzystor bipolarny.
…. prąd płynący między dwiema końcówkami tranzystora bipolarnego jest regulowany przez stosunkowo niewielki prąd płynący przez trzecią końcówkę.
B
C
E
pnp
B
C
E
npn
…. w tranzystorze bipolarnym w przepływie prądu biorą udział zarówno elektrony jak i dziury.
TRANZYSTOR BIPOLARNY ZASADA DZIAŁANIA
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 4
Jak to było z diodą……?:
UD
ID
T T
Inne sposoby zwiększania prądu unoszenia ……???
dziury
Skąd wziąć dziury?
p n
RL
2018-05-08
3
p n
RC
p+
EC EE
RE
IE IC
IB
EMITTER BASE COLLECTOR
Wb
TRANZYSTOR BIPOLARNY ZASADA DZIAŁANIA
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 5
wstrzykiwanie
dziur
unoszenie
dziur
IC
UBC
IE
W dobrym tranzystorze pnp prawie wszystkie dziury wstrzykiwane z emitera do bazy są unoszone i zbierane w kolektorze.
Temu założeniu sprzyja spełnienie warunków wąskiej bazy (Wb << Lp) oraz
długiego czasu życia dziur τp.
p n
RC
p+
EC EE
RE
IE IC
IB
EMITTER BASE COLLECTOR
Wb
TRANZYSTOR BIPOLARNY ZASADA DZIAŁANIA
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 6
wstrzykiwanie
dziur
unoszenie
dziur
Na przepływ prądu bazy składają się:
1. Prąd elektronów rekombinujących z dziurami w bazie.
2. Prąd elektronów wstrzykiwanych do emitera mimo, że emiter jest silniej domieszkowany niż baza.
3. Niewielki prąd elektronów (powstających w wyniku generacji termicznej) wpływający do bazy od strony zaporowo spolaryzowanego złącza kolektorowego.
2018-05-08
4
TRANZYSTOR BIPOLARNY BILANS PRZEPŁYWU DZIUR I ELEKTRONÓW
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 7
p+ p n
iE
iC
iB
iEn
iEp
4
przepływ elektronów
3
za: „Przyrządy półprzewodnikowe”, Ben G. Streetman
1 wstrzykiwane dziury tracone na rekombinację w bazie
2 dziury osiągające złącze kolektora spolaryzowanego zaporowo
4 cieplna generacja elektronów i dziur tworzących prąd nasycenia złącza kolektora spolaryzowanego zaporowo
3 elektrony dostarczane przez kontakt bazy i rekombinujące z dziurami
5 elektrony wstrzyknięte do emitera poprzez złącze
1 2
przepływ dziur
5
TRANZYSTOR BIPOLARNY WSPÓŁCZYNNIKI WZMOCNIENIA PRĄDOWEGO
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 8
za: „Przyrządy półprzewodnikowe”, Ben G. Streetman
EpC Bii
Współczynnik transportu bazy (jaka część wstrzykniętych dziur dotarła za pośrednictwem bazy do kolektora)
EpEn
Ep
ii
i
Współczynnik sprawności wstrzykiwania emitera
Bii
Bi
i
i
EpEn
Ep
E
C
Wzmocnienie prądowe między emiterem a kolektorem
EpEnEp
EpEnEp
EpEn
Ep
B
C
iiiB
iiiB
iBi
Bi
i
i
/1
/
1
EpEnB iBii 1
11 B
B
i
i
B
C
t
p
elektrony, które zrekombinowały w bazie
p+ p n
iE
iC
iB
iEp
4
przepływ elektronów
3
1 2
przepływ dziur
5
2018-05-08
5
TRANZYSTOR BIPOLARNY WZMACNIACZ OE – OPIS JAKOŚCIOWY
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 9
Przykład:
10V
p
n
p+
iC
10
0kΩ
uBE
uCE 100V
5kΩ
iB
iE
C
E
B
sp 10
st 1,0
100t
p
B
C
i
i
mAk
VIB 1,0
100
10
mAII BC 10
ib[mA]
0.05 t
ic[mA] 5
t
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 10
TRANZYSTOR BIPOLARNY STRUKTURY TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH
B
C E
npn
n+ p n E C
B
B
C E
pnp
p+ n p E C
B
E – emiter B – baza C – kolektor
2018-05-08
6
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 11
TRANZYSTOR BIPOLARNY PASMOWY MODEL ENERGETYCZNY TRANZYSTORA
C
p
n+
E B
n
z polaryzacją
E B C
bez polaryzacji
qUEB
– qUCB
– elektron
TRANZYSTOR BIPOLARNY KONFIGURACJE PRACY TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 12
B
C E OB
uWY uWE
B
C
E uWY uWE
OE
B
C
E
uWY uWE
OC
2018-05-08
7
TRANZYSTOR BIPOLARNY STANY PRACY TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 13
B
C E
EEB ECB
aktywny normalny
B
C E
EEB ECB
odcięcia
B
C E
EEB ECB
aktywny inwersyjny
B
C E
EEB ECB
nasycenia
TRANZYSTOR BIPOLARNY MODEL EBERSA-MOLLA
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 14
B
C E
npn
uBE
E C
B uBC
iE iC
iB
iF iR
αRiR αFiF
11 TC
BC
TE
BE
Un
u
CS
Un
u
ESFC eIeIi
11 TC
BC
TE
BE
Un
u
CSR
Un
u
ESE eIeIi
2018-05-08
8
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 15
nE, nC – współczynniki nieidealności złącza emiterowego i kolektorowego
αR – stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w konfiguracji OB
przy aktywnej pracy inwersyjnej
IES – prąd rewersyjny nasycenia złącza emiterowego przy zwartym złączu kolektorowym
RF
CCS
II
1
0
ICS – prąd rewersyjny nasycenia złącza kolektorowego przy zwartym złączu emiterowym RF
EES
II
1
0
αF – stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w konfiguracji OB
przy aktywnej pracy normalnej
0CEFC III E
CCF
I
II 0
TRANZYSTOR BIPOLARNY MODEL EBERSA-MOLLA
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 16
IS – transportowy prąd nasycenia
tożsamość Onsagera SCSRESF III
równania E-M uzależnione tylko od trzech parametrów
11 TC
BC
TE
BE
Un
u
R
SUn
u
SC eI
eIi
11 TC
BC
TE
BE
Un
u
S
Un
u
F
SE eIe
Ii
TRANZYSTOR BIPOLARNY MODEL EBERSA-MOLLA
2018-05-08
9
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 17
Jeżeli zdefiniujemy przez iF prąd przewodzenia diody emiterowej przy pracy aktywnej
normalnej, oraz przez iR prąd diody kolektorowej dla aktywnej pracy inwersyjnej:
To otrzymamy równania E-M w postaci:
TE
BE
TE
BE
Un
u
ES
Un
u
ESF eIeIi 1
1TE
BC
Un
u
CSR eIi
RRFE iii
RFFC iii
TRANZYSTOR BIPOLARNY MODEL EBERSA-MOLLA
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 18
B
C E
npn
uBE
E C
B uBC
iE iC
iB
iF iR
αRiR αFiF
Cjbe Cjbc
Cdbc Cdbe
TRANZYSTOR BIPOLARNY MODEL EBERSA-MOLLA
2018-05-08
10
TRANZYSTOR BIPOLARNY CHARAKTERYSTYKI W KONFIGURACJI OE
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 19
Charakterystyki wejściowe
UBE
IB UCE1 UCE2
UCE1<UCE2
.constUBEB CEUfI
IC
UBE
UCE
IE
B IB
E E
C
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 20
Charakterystyki przejściowe
.constUBC CEIfI
IC
UBE
UCE
IE
B IB
E E
C
IB
IC
UCE1
UCE2
UCE1<UCE2
TRANZYSTOR BIPOLARNY CHARAKTERYSTYKI W KONFIGURACJI OE
2018-05-08
11
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 21
Charakterystyki wyjściowe
.constICEC BUfI
UCE
IC
IB1
IB1<IB2 …
IB2
IB3
IB4
TRANZYSTOR BIPOLARNY CHARAKTERYSTYKI W KONFIGURACJI OE
IC
UBE
UCE
IE
B IB
E E
C
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 22
Określanie punktu pracy Q
IC
UBE
UCE
IE
IB
uwe
RC
+UCC
RB
uwy
BEBBCC URIU
B
BECCB
R
UUI
CECCCC URIU
BC II
CCCCCE RIUU
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
2018-05-08
12
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 23
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Wpływ wyboru punktu pracy na właściwości wzmacniające wzmacniacza
UCE
IC
UBE
IB
Q(UCE, IC) Q(IB, IC)
Q(IB, UBE)
-1/RC
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 24
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Punkt pracy zapewniający maksymalną dynamikę zmian napięcia wyjściowego
UCE
IC
Q(UCE, IC)
UBE
IB
Q(IB, IC)
Q(IB, UBE)
-1/RC
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
2018-05-08
13
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 25
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Przesterowanie wzmacniacza
UCE
IC
Q(UCE, IC)
UBE
IB
Q(IB, IC)
Q(IB, UBE)
-1/RC
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 26
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Punkt pracy skutkujący wchodzeniem wzmacniacza w obszar nasycenia
UCE
IC
Q(UCE, IC)
UBE
IB
Q(IB, IC)
Q(IB, UBE)
-1/RC
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
2018-05-08
14
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 27
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Punkt pracy skutkujący wchodzeniem wzmacniacza w obszar odcięcia
UCE
IC
Q(UCE, IC)
UBE
IB
Q(IB, IC)
Q(IB, UBE)
-1/RC
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE
E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 28
IC
RB
uwy
RC
IE
IB
uwe
Stany pracy tranzystora w polu charakterystyk wyjściowych
UCE
IC
Q(UCE, IC)
-1/RC
Pmax=ICUCE
obszar nasycenia
obszar odcięcia
obszar aktywny
TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE