Tranzystor - WordPress.com
advertisement
Wiadomości podstawowe Tranzystory są urządzeniami półprzewodnikowymi umożliwiającymi sterowanie przepływem dużego prądu, za pomocą prądu znacznie mniejszego. Wykorzystuje się je do wzmacniania małych sygnałów oraz przetwarzania informacji w postaci cyfrowej. Nazwa "tranzystor" pochodzi z połączenia słów transfer i rezystor. Poniżej przedstawiony został pierwszy tranzystor, zbudowany w 1948 roku metodą ostrzową. Jego konstruktorami byli J. Bardeen oraz W.H. Brattain. Pierwszy tranzystor bipolarny zbudował rok później inny amerykański fizyk W.B. Shockley. Cała ta trójka za wynalezienie tranzystora otrzymała w 1956 roku Nagrodę Nobla. Nazwa bipolarne dotyczy tranzystorów, w których transport ładunków odbywa się za pośrednictwem obu rodzajów nośników jakie istnieją w półprzewodniku, tzn. elektronów i dziur. Półprzewodniki, w których na skutek nieregularności sieci krystalicznej przeważają nośniki typu dziurowego nazywa się półprzewodnikami typu p (niedomiarowymi), gdy przeważają nośniki elektronowe nazywa się je półprzewodnikami typu n (nadmiarowymi). Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje powstanie dwóch złączy: p-n i n-p. Istnieją dwie możliwe konfiguracje złączy p-n i n-p prowadzące do powstania dwóch rodzajów tranzystorów bipolarnych. Symbole graficzne tranzystorów npn i pnp oraz ich diodowe modele zastępcze. Zasada działania Zasada działania tranzystora bipolarnego omówiona zostanie na podstawie tranzystora NPN: Przepływ prądu w tranzystorze npn Przez złącze BE tranzystora npn przepływają nośniki większościowe ładunku, w tym przede wszystkim elektrony swobodne z emitera (typ n) do bazy. Również dziury z obszaru bazy (typ p) przepływają przez złącze do emitera. Prąd dziurowy jest znacznie mniejszy ze względu na mniejszą liczbę dziur, wynikającą z mniejszej objętości emitera. Mniejsza część elektronów swobodnych po osiągnięciu obszaru bazy wypełnia istniejące tam dziury, czyli podlega procesowi rekombinacji. Znacznie większa część elektronów swobodnych po znalezieniu się w obszarze bazy jest przyciągana przez kolektor i przepływa przez złącze BC spolaryzowane zaporowo, tak jak własne nośniki mniejszościowe bazy. Wypływające z emitera elektrony swobodne tworzą prąd emitera IE, który rozdziela się w obszarze bazy na mały prąd bazy IB i duży prąd kolektora IC. Podstawowe parametry tranzystora Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza. Miarą tego na ile prąd kolektora odpowiada prądowi emitera jest współczynnik nazywany zwarciowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu emitera (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WB), definiowany jako: = (IC-IC0)/IE gdzie IC0 jest prądem złącza kolektorowego spolaryzowanego zaporowo przy IB=0. Konstrukcja tranzystora bipolarnego, a głównie małe rozmiary bazy sprawiają, że stosunek między prądem kolektora, a prądem bazy jest stały. Stosunek IC/ IB nazywa się współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu bazy (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WE) i oznacza się symbolem . IE = IC + IB IC = IB Zależność pomiędzy obydwoma współczynnikami opisuje równanie: = / (1-) Stały stosunek IC/ IB oznacza, ze pewnej wartości prądu bazy IB odpowiada określona wartość prądu kolektora IC. Można zatem zmieniać prąd bazy po to aby uzyskiwać -krotnie większe zmiany prądu kolektora. Uzyskuje się zatem wzmocnienie przez tranzystor mocy sygnału sterującego. Większą moc sygnału w obwodzie kolektora otrzymuje się kosztem mocy czerpanej z zasilacza. Dla sygnałów zmiennoprądowych o małych amplitudach tranzystor jest czwórnikiem liniowym. Czwórnik opisywany jest za pomocą czterech wielkości wyrażających napięcia i prądy na jego wejściu i wyjściu. Aby móc opisać go za pomocą układu równań dwóch zmiennych należy dwie z czterech wielkości czwórnika opisać za pomocą dwóch pozostałych. W zależności od tego, które ze zmiennych uznane zostaną za zmienne zależne, a które za zmienne niezależne otrzymać można 6 różnych układów równań. Najczęściej wykorzystywane są jednak układy z parametrami: a) impedancyjnymi: U1 = z11I1 + z12I2 U2 = z21I1 + z22I2 b) admitancyjnymi: I1 = y11U1 + y12U2 I2 = y21U1 + y22U2 c) mieszanymi h (układ z parametrami hybrydowymi): U1 = h11I1 + h12U2 I2 = h21I1 + h22U2 Wykorzystane w tych równaniach parametry h, mają następujący sens fizyczny: - impedencja wejściowa przy zwartym wyjściu; - współczynnik sprzężenia zwrotnego przy rozwartym wyjściu; - współczynnik sprzężenia prądowego przy zwartym wyjściu; - admitancja wyjściowa przy rozwartym wyjściu Tranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora. Są to: UEBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter UCBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza UCEOmax - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter Icmax - maksymalny prąd kolektora IBmax - maksymalny prąd bazy Pstmax - maksymalna dopuszczalna moc strat Parametry takie jak Icmax, UCEOmax, Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy, który nosi również nazwę "dozwolonego obszaru pracy aktywnej" w skrócie SOA (Safe Operating Area). Na poniższym wykresie charakterystyki wyjściowej tranzystora pokazano przykład dozwolonego obszaru pracy tranzystora: Oprócz parametrów granicznych w katalogach podawane są również często i inne parametry. W poniższej tabelce podane zostały parametry dla przykładowych tranzystorów. Parametry tranzystorów bipolarnych w znacznym stopniu zależą również od temperatury. Prąd zerowy ICBO jest w przybliżeniu wykładniczą funkcji temperatury i przy jej wzroście o 10K w przybliżeniu podwaja swoją wartość. Tranzystory krzemowe - ze względu na małą wartość ICBO - mogą być stosowane aż do temperatury ok. 473 K (200 C). Współczynnik wzmocnienia prądowego wzrasta na ogół ze wzrostem temperatury. Wzrost ten jest rzędu kilku procent na stopień kelwina. Przy stałej wartości prądu bazy, napięcie baza-emiter UBE za wzrostem temperatury maleje. Sposoby polaryzacji tranzystora Tranzystor składa się z dwóch złączy PN, które mogą być spolaryzowane w kierunku zaporowym lub przewodzenia. W związku z tym można wyróżnić cztery stany pracy tranzystora. Stan tranzystora Kierunki polaryzacji złączy tranzystora Złącze emiter-baza Złącze kolektor-baza Zatkanie Zaporowy Zaporowy Przewodzenie aktywne Przewodzenia Zaporowy Nasycenie Przewodzenia Przewodzenia Przewodzenie inwersyjne Zaporowy Przewodzenia Najważniejszym z tych nich jest obszar pracy aktywnej, gdyż to właśnie w tym obszarze tranzystor wykazuje swoje właściwości wzmacniające, które są wykorzystywane praktycznie. Tranzystor pracujący w układach analogowych musi być w stanie aktywnym, a w układach cyfrowych - w stanach zatkania lub nasycenia. Układy pracy tranzystora Tranzystor jako element trójkońcówkowy, czyli trójnik może być połączony w układzie elektronicznym w rozmaity sposób. W matematycznym opisie tranzystora - trójnika - traktuje się go zwykle jako czwórnik, przyjmując jedną z końcówek jako wspólną dla wejścia i wyjścia. W zależności od tego, którą z końcówek wybieramy za wspólną, rozróżnia się konfiguracje: 1. Układ ze wspólnym emiterem OE (WE) 2. Układ ze wspólną bazą OB. (WB) 3. Układ ze wspólnym kolektorem OC (WC) Wybór układu pracy jest zależny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora. Tranzystor pracujący w układzie OE jest najczęściej używany w układach elektronicznych ponieważ charakteryzuje się: -dużym wzmocnieniem prądowym - dużym wzmocnieniem napięciowym - dużym wzmocnieniem mocy Napięcie wejściowe w OE jest odwrócone w fazie o 180 st. W stosunku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset , a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt k . Tranzystor pracujący w układzie OB. ma: - małą rezystancję wejściową - bardzo dużą rezystancje wyjściową - wzmocnienie prądowe bliskie jedności Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych, niekiedy nawet rzędu GHz. Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się: - dużą rezystancją wejściową (co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości) - wzmocnieniem napięciowym równym jedności (stąd jest nazywany również wtórnikiem emiterowym) - dużym wzmocnieniem prądowym Podstawowe charakterystyki Tranzystor pracujący w dowolnym układzie pracy charakteryzują prądy przez niego płynące i napięcia panujące na jego zaciskach. W związku z tym można określić cztery rodziny statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych. Które przedstawione zostały na poniższych rysunkach: 1) Charakterystyka wyjściowa tranzystora, przedstawiająca zależność prądu kolektora IC od napięcia kolektor-emiter UCE przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter UBE i stałym prądzie bazy IB. Z charakterystyki tej można stwierdzić iż powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia UCE, oraz że do wywołania dużej zmiany prądu kolektora IC wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter UBE 2) Charakterystyka przejściowa przedstawia prąd kolektora IC jako funkcję napięcia bazaemiter UBE, oraz IB =const. Charakterystyka ta ma charakter wykładniczy. 3) Charakterystyka wejściowa opisuje zależność prądu bazy IB od napięcia baza-emiter UBE, przy stałym napięciu kolektor-emiter UCE. Charakterystyka ta, podobnie jak i następna jest wykorzystywana rzadziej od dwóch wcześniejszych. 4) Charakterystyka zwrotna przedstawia zależność prądu kolektora od prądu kolektora IC od prądu bazy IB, przy UCE=const Widać na niej, że prąd kolektora jest w pewnym stopniu proporcjonalny do prądu bazy. Znając charakterystykę wejściową i wyjściową (podawane w katalogach), można wyznaczyć dwie pozostałe poprzez rzutowanie na oś odpowiednich punktów należących do znanych charakterystyk. Postać charakterystyki wejściowej i wyjściowej jest taka sama, jak charakterystyki złącza półprzewodnikowego polaryzowanego odpowiednio w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym. Schematy zastępcze tranzystora bipolarnego w różnych układach pracy Schematy zastępcze tranzystora wykorzystuje się wówczas, gdy należy przeprowadzić analizę pracy danego układu elektronicznego. Wyboru właściwego schematu dokonuje się w zależności od wielkości występujących sygnałów. Poniżej przedstawione zostały schematy zastępcze tranzystorów dla parametrów małosygnałowych, w różnych układach pracy. W układzie WE (OE): W układzie WB (OB): W układzie WK (OC):
