Dispozitive si Circuite Electronice

60DCE - Cap.6. TRANZISTORUL BIPOLAR39DCE - Cap.6. TRANZISTORUL BIPOLAR

Cap.6. TRANZISTORUL BIPOLAR

Cel mai important dispozitiv electronic este, la ora actual, tranzistorul bipolar (TB) cu jonciuni. Acest dispozitiv a fost inventat de Shockley n 1949. Denumirea de tranzistor provine din limba englez: TRANSFER RESISTOR, cuvinte ce desemneaz funcia de baz a dispozitivului. Tranzistoarele se mpart n dou categorii: bipolare i unipolare. Funcionarea TB se bazeaz pe ambele categorii de purttori: majoritari i minoritari, n timp ce tranzistoarele unipolare (sau cu efect de cmp) funcioneaz numai pe baza purttorilor majoritari. Istoric primul TB a fost cel cu contacte punctiforme, realizat de Bardeen i Brattain n 1948, dar nu s-a impus din cauza puterii foarte mici. n continuare prin TB vom nelege de fapt TB cu jonciuni.

6.1. Principiul de funcionare al tranzistorului bipolar.

Simboluri. Notaii.

Tranzistorul bipolar const dintr-un monocristal semiconductor (Si sau Ge) care prezint o succesiune de trei regiuni distincte, regiunea din mijloc fiind dopat cu impuriti de tip diferit fa de regiunile laterale (fig. 6.1). Regiunea central poart numele de baz (B), iar cele laterale de emitor (E) i colector (C), dup rolul pe care l au n funcionarea tranzistorului.

Fig. 6.1 Fig. 6.2Pe fiecare din aceste regiuni este realizat cte un contact ohmic pe care se sudeaz conductoarele terminale. n structura TB se formeaz dou jonciuni p-n: jonciunea emitoare (JEB) i jonciunea colectoare (JCB). n funcie de tipul conductibilitii celor trei regiuni, TB pot fi de tip pnp sau npn.

Structura de TB prezint urmtoarele particulariti:

1. Grosimea bazei (dB) este mult mai mare dect lungimea de difuzie a purttorilor minoritari;

dB =1...10 m;

2. Regiunile E i C au (de regul) grosimi mult mai mari dect lungimea de difuzie a purttorilor minoritari;

3. Emitorul este mult mai puternic dopat dect baza;

4. Jonciunile E i C sunt plane i paralele ntre ele; de aceea toate mrimile electrice variaz n structur numai dup perpendiculara pe jonciuni (x).

n funcionarea normal a TB, JE este polarizat direct, iar JC invers. Funcionarea TB nu poate fi dedus, aa cum s-ar prea la prima impresie, considerndu-l echivalent cu dou jonciuni independente. Schema echivalent cu dou diode este util doar pentru msurri cu ohmmetrul (fig. 6.2). Distana ntre cele dou jonciuni fiind mic, ele se influeneaz reciproc: apare un efect numit efect de tranzistor.

n figura 6.3. se arat simbolurile utilizate pentru tranzistoarele bipolare npn i pnp. Terminalul emitorului este pus n eviden printr-o sgeat orientat dup sensul real" (de fapt cel convenional: de la plus la minus) al curentului de emitor n polarizare normal (JE polarizat direct i JC polarizat invers). Sensurile pentru cureni i tensiuni sunt aceleai pentru tranzistoarele bipolare pnp ct i pentru cele npn. Curenii se consider pozitivi cnd ntr n tranzistor i negativi n caz contrar. Tensiunile se msoar fa de unul din terminale i se noteaz cu doi indici: primul indic terminalul a crui tensiune se msoar, iar al doilea indic terminalul luat ca referin de potenial.

ntre tranzistorul bipolar pnp i npn exist o analogie perfect. Ne vom referi n continuare la tranzistorul bipolar pnp, ns toate rezultatele ce se vor obine sunt aplicabile i la TB npn, cu urmtoarele precizri:

1. Se schimb toate mrimile referitoare la goluri n mrimile referitoare la electroni i invers;

2. Polaritatea tensiunilor i mrimile reale ale curenilor sunt inverse. Se prezint mai jos un tabel cu tensiunile i curenii unui TB n funcionarea normal:

UEBUCBUCEIEICIB

pnp+--+--

npn-++-++

Fig. 6.4S considerm un tranzistor pnp polarizat normal. JE va fi strbtut de un curent dominant de golurile injectate de E n B (fig. 6.4). Datorit faptului c B este subire, doar o mic parte din golurile injectate de E n B se vor recombina cu e- majoritari din B. Cele mai multe goluri ajung prin difuzie la JC. Aici intr sub aciunea cmpului electric din regiunea de tranziie i sunt trecute n regiunea neutr a colectorului. Curentul de goluri ce traverseaz JC (IpC) este foarte apropiat ca valoare de curentul injectat de E n B (IpE) i constituie componenta principal a curentului de C. Acest efect de comand a curentului printr-o jonciune polarizat invers (JC) cu ajutorul curentului unei jonciuni polarizate direct i plasat n apropiere (JE), se numete efect de tranzistor.

O fraciune mic din golurile injectate n B se recombin cu electronii intrai prin contactul B dnd I de recombinare al B, Ir. IpE=IpC+Ir. JE mai este strbtut de un flux de electroni pe care B i injecteaz n E. Notm cu Ine curentul corespunztor acestui flux, valoarea total a IE=IpE+InE. IC este format din I de goluri ce sosesc de la E (IpC) i curentul invers al JC (ICBo) IC =-IpC+ ICBo. Semnul minus apare datorit conveniei de semne fcut. ICBo este foarte mic, de ordinul a 1 nA la TB cu Si i 1SYMBOL 109 \f "Symbol"A la cele cu Ge, motiv pentru care de multe ori se neglijeaz. IB alimenteaz recombinarea n B i injecia de electroni din B n E. n acelai timp n B sosesc un numr mic de electroni: IB =-Ir-InE+InCEfectul util n funcionarea TB l constituie comanda IC prin intermediul IE; InE- curent local, trebuie s fie ct mai mic (din construcie). Din acest motiv, B se dopeaz mult mai slab dect E. Pentru a aprecia msura n care curentul de goluri Ip predomin n curentul ce traverseaz JE se utilizeaz coeficientul de injecie (sau eficiena emitorului), definit astfel: =IpE/ IE =0.99...0.998

Recombinarea golurilor n baz este un fenomen parazit pentru funcionarea tranzistorului. Pentru ca la C s ajung ct mai multe din golurile injectate de E n B, trebuie ca grosimea B s fie mult mai mic dect lungimea de difuzie a golurilor n baz, fenomen caracterizat de coeficientul de transport:

(T=IpE/IpC=0.99...0.998. IpC= T Coeficientul IB fiind legat de fenomene secundare este mult mai mic dect IE i IC. Mai observm c n timp IE i IC curg n lungul structurii (perpendicular pe jonciune) iar IB curge paralel cu jonciunea. Din acest motiv curentul de purttori majoritari din regiunea B este numit curent transversal. Cnd tensiunea invers aplicat pe JC este foarte mare, intervine i fenomenul de multiplicare n avalan n regiunea de tranziie caracterizat de coeficientul de multiplicare:

M=1/[1-(UCB/UCBo)n] unde UCBo este tensiunea de strpungere a JC, iar n un coeficient cuprins ntre 2 i 6. n domeniul tensiunilor mari =n majoritatea aplicaiilor, TB este comandat prin IB. Pentru astfel de aplicaii intereseaz dependena IC (IB), care se obine nlocuind: IE =- IC - IB, n care IC = IC =

IC =

+1) ICBo; IC =-symbol 98 \f "Symbol" \s 12

IB +( IC + ICBo. La TB obinuite, (30, 500).

Pn n prezent au fost elaborate mai multe procedee de fabricare a tranzistoarelor, rezultnd mai multe tipuri de tranzistoare: aliate, difuzat-aliate (drift), mesa, planare, mesa epitaxiale, planar epitaxiale etc.

6.2. Teoria tranzistorului bipolar n regim staionar.

Modelul static Ebers-Moll

Aceast teorie se bazeaz pe nite ipoteze simplificatoare (de ex.: jonciunile TB sunt considerate abrupte ideale), n final rezultnd ecuaiile lui Shockley, care depind de mai muli parametri tehnologici ai TB. Ebers i Moll au gsit o cale de determinare a ecuaiilor TB cu ajutorul a 4 parametri msurabili experimental.

Vom considera dou regimuri de lucru ale TB: normal i inversat. n regim normal de funcionare, pentru un TB tip pnp, UEB>0, UCB UD; UD - tensiune de deschidere a JE

Re= UD IE; Re=(KT/q)Circuitul de intrare are elementele: Re, DI, UD (fig. 6.10)

Pentru circuitul de ieire IC =-Conexiunea ECCS de intrare: 2 segmente de dreapt: Rb = (CS de ieire: IC =ICEo=(nclinarea caracteristicilor de ieire datorit efectului Early poate fi modelat cu o conductan GCE ntre C i E (R de ieire).

Ue=UEarly (SYMBOL 187 \f "Symbol"90V la Si)

RCE = (|UE|+| UCE |)/ ICn cazul TB npn se schimb polaritatea UD i sensul de conducie al diodelor ideale. Pentru saturaie i tiere se pot folosi 2 modele foarte simplificate (fig. 6.12):

Exemplu de utilizare a modelelor statice liniarizate

Figura 6.13.a reprezint circuitul de amplificator n EC cu TB npn. Modelul static liniarizat al acestuia este n figura 6.13.b, pentru care exist o schem echivalent mult simplificat (fig. 6.13.c):

Folosind modelul din figura 6.13.b (cu cele dou ochiuri: circuitul de intrare i cel de ieire) putem gsi dependena Uieire (n acest caz UCE) n funcie de Uintrare. Acest model este valabil numai att timp ct TB se afl n regiunea activ. Modelul nu este valabil cnd Uin< UD. n acest caz IB =0 rezult IC =Uin =RBIB+RbIb+ UD

n regiunea activ: IB =(Uin- UD)/(RB+Rb) cu condiia ca Uin > UD, rezult IB crete liniar cu Uin. Ecuaia U pentru circuitul de ieire EC = RC IC + UCE ( UCE=EC-ICRC. Dar IC=0 (UCE=EC . PSF se deplaseaz pe o dreapt, numit dreapt de sarcin (fig. 6.14), reprezentat prin tieturi: UCE =0; IC = EC / RC; IC =0; UCE = EC; IC =SYMBOL 98 \f "Symbol" IB SYMBOL 222 \f "Symbol" UCE = EC -SYMBOL 98 \f "Symbol"RC(Uin- UD)/(RB+Rb). Cnd Uin crete UCE (Uieire) scade pn la 0 (se atinge I C saturaie) - figura 6.15.

6.5. Influena temperaturii asupra regimului staionar al tranzistorului bipolar

Cele mai importante efecte asupra regimului staionar sunt:

a) Variaia curentului rezidual de colector ICB;

b) Variaia coeficientului de amplificare n I B-C c) Variaia tensiunii de deschidere UD;

Fig. 6.17a) ICB fiind Iinvers al unei jonciuni, crete cu temperatura ca n figura 6.16. Valorile sunt date pentru tranzistoarele din Ge i Si de mic putere. La ambele categorii de TB, ICBo se dubleaz pentru o cretere a temperaturii cu 10b) Variaia coeficientului de amplificare n curent B-C (

La creterea temperaturii c) U pe JE la IB =constant, descrete n valoare absolut cu creterea T ca i n cazul jonciunii p-n cu aproximativ 2mV/6.6. Strpungerea tranzistorului bipolar

n esen, strpungerea TB este asemntoare cu strpungerea jonciunii p-n, dei la TB fenomenele sunt mai complexe i depind n foarte mare msur de circuitul n care acesta este conectat.

Strpungerea TB la I de E constant conexiune BC

n domeniul UCB mari, apare multiplicarea n avalan a purttorilor de sarcin n regiunea de tranziie a jonciunii BC, deci un curent foarte mare CB n sens invers IB normal(fig. 6.18). UCbo la TB normale=50200V, iar la cele speciale UD

IC max= EC /( RC + RE)=1.26mA

Pentru PSF: Eb =3.06V, Rb =6.1k

Dac temperatura crete la 125SYMBOL 176 \f "Symbol"C IC (125SYMBOL 176 \f "Symbol"C)=0.935mA (crete cu 10symbol 37 \f "Symbol" \s 12

); UCE (125C)=3.15V.

Circuitul se comport foarte bine la variaia lui SYMBOL 98 \f "Symbol", dar mai puin bine la variaia lui UD.

Se poate relua exemplul pentru un TB npn din Ge (To=25SYMBOL 176 \f "Symbol"C, IC =1.01mA, UCE =2.38V; T=75SYMBOL 176 \f "Symbol"C symbol 222 \f "Symbol" \s 12

IC =1.162mA, UCE =0.943V, UD =0V, =200) observndu-se influena puternic a lui ICBo la creterea temperaturii (ICBo =0.032mA).

Pentru proiectare se alege o valoare IC SYMBOL 215 \f "Symbol" RE =(0.1SYMBOL 184 \f "Symbol"0.3)SYMBOL 215 \f "Symbol" EC =2SYMBOL 184 \f "Symbol"4V, deci va rezulta Eb > UD. Ure trebuie s nu fie o pierdere prea mare din EC. Apoi se adopt Rb SYMBOL 64 \f "Symbol"10SYMBOL 215 \f "Symbol" RE, suficient de mic pentru o stabilizare la variaia lui SYMBOL 98 \f "Symbol" i n acelai timp destul de mare fa de rezistena de intrare a TB, ca s evite untarea intrrii la mas pentru Uintrare (pentru un divizor corect dimensionat ar trebui ca IdivSYMBOL 64 \f "Symbol"10SYMBOL 215 \f "Symbol" IB). Apoi se calculeaz Eb, Rb1, Rb2, RC.

Ex.: Pentru un TB de Si npn cu EC =12V, RC =5.8kSYMBOL 87 \f "Symbol", Rb1=33kSYMBOL 87 \f "Symbol", Rb2=10kSYMBOL 87 \f "Symbol", RE =2.7kSYMBOL 87 \f "Symbol", UD =0.6V, SYMBOL 98 \f "Symbol"=100, ICBo =0.1nA, se obin Eb =2.79V, Rb =7.67kSYMBOL 87 \f "Symbol", IC =0.781mA, UCE =4.556V la To=25SYMBOL 176 \f "Symbol"C, iar la T=125SYMBOL 176 \f "Symbol"C IC =0.869A, UD =0.4V, SYMBOL 98 \f "Symbol"=200, ICBo =0.1SYMBOL 109 \f "Symbol"A, Iceo =0.02mA, UCE =3.73V.

Pentru Ge npn cu UD =0.25V, ICBo =0.001mA se obin IC =0.91mA, UCE =3.33V la T=25SYMBOL 176 \f "Symbol"C i UD=0.15V, SYMBOL 98 \f "Symbol"=200, ICBo =32SYMBOL 109 \f "Symbol"A, Iceo =6.43mA, IC =1.08mA, UCE =1.717V la T=75SYMBOL 176 \f "Symbol"C; datorit divizorului Rb1, Rb2, mare parte din ICBo trece prin Rb2 la mas i deci ICBo real< ICBo calculat.

2) S proiectm reeaua de polarizare a unui TB cu Si cu SYMBOL 98 \f "Symbol"=60, UD =0.6V, n PSF IC =4mA, UCE=4V, EC =12V. Alegem IC RE =4VSYMBOL 222 \f "Symbol" RE =1kSYMBOL 87 \f "Symbol". Adoptm Rb =10SYMBOL 215 \f "Symbol" RE =10kSYMBOL 87 \f "Symbol"

SYMBOL 222 \f "Symbol" Eb =5.33V, Rb1=22.5kSYMBOL 87 \f "Symbol", Rb2=18kSYMBOL 87 \f "Symbol", RC =1kSYMBOL 87 \f "Symbol".

Pentru SYMBOL 98 \f "Symbol"=100, UD =0.6V, IC =2mA, UCE =5V, EC =12V se adopt IC RE =2SYMBOL 215 \f "Symbol"USYMBOL 222 \f "Symbol" RE =1kSYMBOL 87 \f "Symbol", Rb=(10...100)SYMBOL 215 \f "Symbol" RE SYMBOL 64 \f "Symbol"30kSYMBOL 87 \f "Symbol".

3) Stabilizare cu rezistena ntre baz i colector

Pierderea de tensiune continu pe RE constituie un dezavantaj important cnd TB lucreaz la nivele mari de putere. n astfel de cazuri stabilizarea PSF poate fi realizat polariznd baza cu un rezistor conectat ntre colector i baz ca n figura 6.28.

Fig. 6.28IB =( UCE - UBE)/RBCIC crete odat cu creterea temperaturii.

UCE = EC - RC ( IC + IB)

UCE scade, IB scade i se compenseaz parial creterea lui IC cu temperatura. Aceast reacie se numete paralel-paralel. Fr Cb ea intervine i n regimul de semnal micornd amplificarea.

Pentru creterea amplificrii rezistena Rbc se divide n dou i se monteaz Cb care se conecteaz la mas. Se impune condiia ca 1/(symbol 119 \f "Symbol" \s 12

SYMBOL 215 \f "Symbol"Cb)