3. · emiteru a plus na bazi, dok se inverzna polarizacija kolektorsko-baznog p-n postiže spajanjem pozitivnog pola ems na kolektor a negativnog na bazu. Sl. 3.1.1. Polarizacija

31

3. Bipolarni tranzistori

Bipolarni tranzistor je aktivna poluprovodnička komponenta sa tri

elektrode emiter, baza i kolektor i sa dva p-n spoja: emiterski i kolektorski

p-n spoj. Ulazna otpornost tranzistora (TRANsfer-reSISTOR) ima manju

vrijednost dok je njegova izlazna otpornost dosta velika tako da i sam

naziv asocira na to. Termin bipolarni naglašava ulogu oba tipa nosilaca

elektriciteta (elektrona i šupljina). Zbog toga postoje dva tipa tranzistora

koji mogu biti p-n-p ili n-p-n tipa. Gledano sa strane vanjskih

priključaka, ova dva tipa tranzistora se međusobno razlikuju samo po

suprotnim polaritetima napona koje treba priključiti između pojedinih

elektroda i smjerovima struja koje teku u elektrode. Tranzistori sa

sopstvenim električnim poljem nazivaju se drift tranzistori a bez

sopstvenog polja u bazi nazivaju se difuzionim.

Pri legiranju donorskim primjesama ND (petovalentni materijali)

dobija se poluprovodnik N tipa. Kada su svi donorski atomi jonizovani i

kada je ND >>ni, koncentracija elektrona iznosi n ND. Pri legiranju

ELEKTRONIKA U GEODEZIJI

32

akceptorskim primjesama NA (trovalentni materijali) u dovoljnoj

koncentraciji govori se o p tipu poluprovodnika.

Emiterski p-n spoj nalazi se na granici između emitera i baze, dok

baza i kolektor formiraju kolektorski p-n spoj. Srednji sloj se naziva baza

jer se u tom području dešavaju bitni procesi za rad tranzistora.

Između p i n poluprovodnika s obe strane metalurške granice nalazi

se prelazno područje koje se naziva sloj prostornog naboja ili potencijalna

barijera. Zbog postojanja različitih koncentracija primjesa na lijevoj i

desnoj strani od granične ravni tada u trenutku zamišljenog uspostavljanja

kontakta dolazi do difuzionog kretanja nosilaca sa mjesta više

koncentracije prema mjestu niže koncentracije. Elektroni tako prelaze sa n

strane na p stranu a šupljine sa p na n stranu. Unutar potencijalne barijere

postoji električno polje.

Zavisno od toga koja je elektroda zajednička tranzistor se može naći

u spoju sa zajedničkom bazom, zajedničkim emiterom i zajedničkim

kolektorom.

Nosioci elektriciteta iz emitera, kroz bazu, se kreću prema

kolektoru. Da bi se omogućio prelaz osnovnih nosilaca elektriciteta iz

emitera u bazu (elektrona kod NPN tranzistora, a šupljina kod PNP

tranzistora) potrebno je izvršiti direktnu polarizaciju emitersko baznog p-

n spoja. Potencijalna barijera se sužava direktnom polarizacijom.

Osnovni nosioci elektriciteta tako prelaze u područje baze gdje postaju

sporedni nosioci elektriciteta.

Između baze i kolektora takođe postoji potencijalna barijera koja se

proširuje pri inverznoj polarizaciji čime se omogućava kretanje elektrona

prema kolektoru. U kolektoru se vrši sakupljanje nosilaca elektriciteta.

Zbog togao je potrebno povećati električno polje, odnosno proširiti

područje potencijalne barijere, što se postiže inverznom polarizacijom.

Emitorski p-n spoj ima manju površinu od površine kolektorskog

p-n spoja. Pored toga emiter tranzistora je znatno bogatije (oznaka ++)


33

legiran od kolektora. Koncentracija primjesa u bazi je manja od

koncentracije u emiteru ali veća od koncentracije u kolektoru (oznaka +).

3.1. OBLASTI RADA TRANZISTORA

Svaki od p-n spojeva kod bipolarnih tranzistora može biti propusno

ili nepropusno polarizovan tako da se po tome razlikuju četiri naponska

područja rada tranzistora.

Normalno aktivno područje (pojačavački režim rada) tranzistora

ima direktno polarizovan emietrsko-bazni p-n spoj dok je kolektorsko

bazni p-n spoj inverzno polariyovan. To znači da je kod n-p-n tranzistora

između emitera i baze spojen vanjski izvor ems čiji je minus pol na

emiteru a plus na bazi, dok se inverzna polarizacija kolektorsko-baznog

p-n postiže spajanjem pozitivnog pola ems na kolektor a negativnog na

bazu.

Sl. 3.1.1. Polarizacija p-n-p i n-p-n tranzistora [L1].

Takva direktna aktivna oblast kod n-p-n tranzistora određena je sa:

Kod n-p-n tranzistora taj napon je pozitivan dok je kod p-n-p tranzistora

taj napon negativan.

Inverzno aktivna oblast nastupa pri: 0 0BE CBV ,V . Emiterski

spoj je polarizovan inverzno a kolektorski direktno, te su uloge emitera i

kolektora zamijenjene. Strujna pojačanja su izrazito manja zbog


34

konstrukciono smanjenog transportnog faktora i efikasnosti emitera.

Strujna pojačanja se sada obilježavaju sa: iR R (reverse region =

inverzna oblast).

Oblast zasićenja (saturation region) nastupa pri: 0 0BE CBV ,V ,

kada su oba spoja polarizovana direktno. Strujna pojačanja su S S,

Oblast zakočenja nastupa pri: 0 0BE CBV ,V . Tada su oba spoja

inverzno polarizovana tako da su struje veoma malene (cutoff region).

Tabela: Definicije naponskih područja rada bipolarnog tranzistora

polarizacije

p-n spojeva

emiter-baza

propusno nepropusno

Kolektor -

baza

propusno zasićenje inverzno aktivno

nepropusno

normalno aktivno

zakočenje

3.2. STRUJE TRANZISTORA

Struje u tranzistoru zavise od napona na spojevima emitera i baze,

odnosno kolektora i baze. Tranzistor se može posmatrati kao

jednodimenzionalni (linearni) model, tj. može se pretpostaviti da se

nosioci elektriciteta kreću samo duž glavne ose. Zbog međusobne blizine

emiterskog i kolektorskog spoja struja kroz kolektorski spoj će zavisiti ne

samo o naponu na spoju kolektor-baza nego i o naponu na spoju emiter-

baza. Isto vrijedi i za uticaje napona na struju kroz emiterski spoj.

Kada tranzistor radi u normalnom aktivnom području p-n spoj

emiter-baza je propusno polarizovan. Kroz njega teče struja nosilaca

elektriciteta koje emiter injektuje u bazu (kod n-p-n tranzstora to je struja

elektrona InE a kod p-n-p to je struja šupljina IpE).


35

Nosioci elektriciteta koje emiter ubaci u bazu kreću se prema

kolektoru pri čemu će se dio njih rekombinovati s većinskim nosiocima u

bazi. Međutim, kako je baza uska, najveći dio nosilaca će stići do

inverzno polarizovane kolektorske barijere.

Struja emitora za jednosmjerni radni režim jednaka je zbiru struje

baze i struje kolektora:

IE = IC + IB.

Struja kolektora za jednosmjerni radni režim srazmjerna je dijelu

struje emitera:

C EI I .

Faktor strujnog pojačanja tranzistora u spoju sa zajedničkom

bazom predstavlja odnos struje kolektora i struje emitera. Obilježava se sa

F ( F forward or normal common-base curent gain) a

vrijednost se kreće u opsegu 0 95 1F, .

Faktor pojačanja struje tranzistora u spoju sa zajedničkim

emitorom predstavlja odnos struje kolektora i struje baze. Tako je veza

struje kolektora sa strujom baze:

IC = IB .

Kako je faktor strujnog pojačanja manji od 1 (iznosi od 0,95 do

0,99) tada je faktor = /(1- ) očigledno mnogo veći od jedinice i iznosi

nekoliko desetaka do reda stotina. Pojačavačka osobina bipolarnog

tranzistora se ogleda u principu da se malim promjenama struje baze

izazivaju velike promjene struje kolektora.

Struja baze se dobija kao razlika struja emitera i kolektora :

B E CI I I .

Zbog inverzne polarizacije spoja kolektor-baza sporedni nosioci

elektriciteta elektroni iz baze prelaze u kolektor a šupljine iz kolektora u

bazu. Ove dvije vrste nosilaca elektriciteta teku kroz kolektorski spoj čak

i kada je emitersko kolo otvoreno čineći tako inverznu struju ICB0.


36

Kako je struja emitera jednka zbiru struje kolektora i baze tada je:

0

0

C E CB

C C B CB

I I I

I I I I

.

Struja kolektora u funkciji struje baze je data sa:

0

1

1 1C B CBI I I

,

01C B CBI I I ,

gdje je:

1,

1

FF

F

.

Faktor strujnog pojačanja tranzistora u spoju sa zajedničkom bazom

je , odnosno F , (sufiks F- forward ) dok je = F faktor strujnog

pojačanja tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom (normal common-

emiter current gain).

3.3. KARAKTERISTIKE TRANZISTORA

Karakteristike tranzistora mogu biti definisani za sve tri vrste spoja:

spoj sa zajedničkim emiterom, spoj sa zajedničkom bazom i spoj sa

zajedničkim kolektorom. U svakom od osnovnih spojeva tranzistora

postoje dva napona i dvije struje u međusobnoj zavisnosti. Statičke

karakteristike kao funkcije dvije nezavisne promjenljive, predstavljaju

površine u trodimenzionalnom prostoru.

3.3.1. Ulazne karakteristike tranzistora u spoju sa

zajedničkim emiterom

Ulazne karakteristike tranzistora definišu zavisnost ulazne struje

I1 od ulaznog napona V1, pri čemu je kao parametar izlazni napon V2 :


37

1 1 1I f V

, V const2 .

Ulazne karakteristike tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom

predstavljaju zavisnost struje baze od napona između baze i emitera pri

naponu između kolektora i emitera kao parametru:

IB = f (VBE ), VCE = const ,

Standardni grafici su predstavljene na slikama 3.3.1a i b.

0 0

-20 50

-40 100

-60 150

-80 200

-100 250

-50 0,2-100 0,4-150 0,6-200 0,8-250 1,0

I ( A)B I ( A)B

V (mV)BE V (V)BE

V = 0 VCE

V = 0 VCE

-2 V

1 V

-8 V 10 V

Sl. 3.3.1. a) Ulazne karakteristike germanijumskog PNP tranzistora u spoju ZE

b) Ulazne karakteristike silicijumskog NPN tranzistora u spoju ZE [L1].

Sve do napona praga otvaranja VBET silicijumski tranzistor ne

provodi struju. Od napona VBEQ = 0,6 V do 0,75 V tranzistor radi u

aktivnom području, a za napone preko VBES = 0,8 V tranzistor se nalazi u

zasićenju.

3.3.2. Izlazne karakteristike tranzistora u spoju sa zajedničkim

emiterom

Izlazne statičke karakteristike daju zavisnost izlazne struje I2 u

funkciji izlaznog napona V2, dok se kao parametar koristi ulazna struja I1:


38

2 2 2I f V za I const1 .

Izlazne karakteristike tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom

daju zavisnost kolektorske struje o naponu između kolektora i emitera, pri

struji baze kao parametru i predstavljaju familiju izlaznih karakteristika

tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom.

IC = f (VCE ) , IB = const.

Daljim povećavanjem napona inverzne polarizacije dolazi do

proboja tranzistora kada struja kolektora naglo raste.

Izlazne karakteristike n-p-n tranzistora u spoju zajedničkim

emiterom predstavljene su na sl. 7.3.2. Zbog uticaja Irlijevog efekta

izlazne karakteristike tranzistora IC = f(VCE) imaju povećan nagib. To

znači da je diferencijalna otpornost između kolektora i emitera konačne

vrijednosti i određuje se prema relaciji:

ce cece

c c

d v Vr

d i I

.

010VCE [V]

IB= 0

IB= 20

40 A

60 A

80 A

100 A

IC

[mA]

1

2

3

4

5

6

8

9

7

5

Sl. 3.3.2. Izlazne karakteristike NPN tranzistora u spoju zajedničkim

emiterom.


39

Takođe se koriste izlazne karakteristike kod kojih je parametar

napon između baze i emitera:

IC = f (VCE ) , VBE = const.

Kod bipolarnih tranzistora koriste se ulazne i izlazne statičke

karakteristike, te prenosne karakteristike i karakteristike povratne veze.

Izlazne karakteristike tranzistora u spoju sa zajedničkom bazom

određuju zavisnost struje kolektora od napona između kolektora i baze pri

struji emitera kao parametru:

2C CBI f V , EI const .

3.4. MODELI TRANZISTORA

Pri analizi elektronskih sklopova sa priključenim naizmjeničnim

analognim signalima, koji predstavljaju kontinualno promjenljive

veličine, koriste se linearni i linearizovani modeli nelinearnih elemenata.

U osnovi analize naizmjeničnih signala u sklopovima koristi se teorija

četveropola i ekvivalentnih modela odnosno ekvivalentnih šema.

Zajedničko za sve ekvivalentne šeme koje se koriste u analizi linearnih

pojačavača je da reprezentuju tranzistor sa polarizacijom u aktivnom

režimu kome odgovara direktno polarisani emitor-baza spoj, a inverzno

polarisani kolektor-baza spoj.

Da bi se tranzistor mogao zamijeniti ekvivalentnom šemom,

moraju biti ispunjeni sljedeći uslovi:

da tranzistor radi u dinamičkom režimu,

da je u tom režimu linearan (domen malih vrijednosti signala).

Kada se na tranzistor priključi naizmjenični signal vbe tada se taj

signal superponira jednosmjernom naponu VBE u radnoj tački. Ukupni

napon između baze i emitera tranzistora u vremenskom domenu je tada:


310

BE BE bev V v .

Pri eksponencijalnoj zavisnosti kolektorske struje od napona

između baze i emitera u direktnoj aktivnoj oblasti, dobija se:

( )

BEC CS

BE beC CS

q vi I exp ,

kT

q V vi I exp .

kT

Ukupna stuja kolektora jednaka je zbiru jednosmjerne IC i

naizmjenične komponente ic pa je:

be beBEC c s C

qv qvqVI i I exp exp I exp ,

kT kT kT

BEC s

qVI I exp

k T .

Kako je struja kolektora približno data sa:

bec s

vi I exp ,

kT / q

tada se dobija izraz za transkonduktansu gm:

be

be

qv / kTs qv / kTc

m sbe be

cm

I ei qg I e ,

v v kT

Ig .

kT / q

3.4.1. model tranzistora

U pojednostavljenoj ekvivalentnoj šemi bipolarnog tranzistora (

model tranzistora) između baze B i emitera E nalazi se otpornost r na


311

kojoj postoji napon v. Uticaj tog napona na struju strujnog generatora

između kolektora C i emitera E dat je naponski upravljanjim strujnim

generatorom I = gmv , pri čemu je gm transkonduktansa data u mS.

Paralelno izlaznim priključcima vezana je izlazna otpornost tranzistora rce

koja se definiše kao:

1

/ce

C CE Q

rdI dV

.

Za brojne primjene tranzistora ovakva način određivanja je

dopušten s obzirom da je greška koja se pri tome čini manja od tačnosti s

kojom se strujno pojačanje može unaprijed da zna.

Faktor pojačanja struje za male signale je:

C co

B b

I i

I i

.

Ulazna otpornost tranzistora je definisana kao:

beBE

B b

vVr

I i

, CBE

C B

IVr

I I

.

Sl. 3.4.1. Pojednostavljena ekvivalentna šema .

odakle se dobija veza sa strujnim pojačanjem :


312

o

m

rg

, m

o

gg

.

Za dovoljno male priraštaje struja i napona proizlazi veza:

Cm

BE Q

d ig

d v , C m BEI g V .

Kako je 1 iz posljednjeg izraza se vidi da je provodnost mg g .

Za proučavanje rada pojačavača na niskim učestanostima u modelu

su izostavljene sve kapacitivnosti, a za r i rce pretpostavljeno da imaju

beskonačno velike vrijednosti.

3.4.2. h model tranzistora

Kako je tranzistor tropol, a prikazuje se četvoropolom, usvaja se da

su zajednički međusobno kratko spojeni. Veličine koje povezuju male

priraštaje struja i napona nazivaju se diferencijalnim parametrima

tranzistora. Usvaja se da su u priključnim tačkama četveropola polariteti

ulaznog i izlaznog napona V1 i V2 pozitivni u odnosu na zajedničku tačku

(masu) a smjerovi struja I1 i I2 određeni tako da ulaze u četveropol.

Kod tropola se dobijaju tri jednačine za struje polova u funkciji sva

tri napona polova koji se računaju u odnosu na referentni čvor. Nezavisno promjenljive u ovom sistemu su ulazna struja I1 i izlazni napon

V2 :

1 21 2 11 2 2V f I ,V , I f I ,V . .

Hibridni parametri tranzistora definišu se kao izvodi u radnoj tački

na karakteristikama tranzistora i s obzirom do ove karakteristike nisu

linearne, veličine h parametara će zavisiti od položaja radne tačke,

odnosno od tačke u kojoj se izračunava izvod. To znači da od položaja

radne tačke zavise i pojačanja i ulazna i izlazna otpornost tranzistora.


313

U okolini radne tačke promjene ovih funkcija određene su njihovim

totalnim diferencijalima :

dVV

IdI

V

IdV1

1

11

1

22

,

dII

IdI

I

VdV2

2

11

2

22

.

Parcijalni izvodi ispred nezavisno promjenljivih, u slučaju

harmonijskih oscilacija, označavaju se simbolima h11, h12, h21, h22.

Takođe su u primjeni i indeksi:

h11=hi , h12=hr , h21=hf , h22=ho.

(i –input, r- reverse, f- forward, o- output)

Jednačine kojima se opisuje h model tranzistora daju zavisnost

kompleksnih veličina ulaznog napona V1 i izlazne struje I2 u funkciji

ulazne struje I1 i izlaznog napona V2:

11 11 12 2

2 121 22 2

V h I h V

I h I h V

hV

IV

111

1 02

Ulazna impedansa tranzistora pri kratkom spoju izlaza

za naizmjeničnu struju;

hV

VI

121

2 01

Koeficijent povratne veze po naponu pri prekinutom

ulazu za naizmjeničnu struju (odnos naizmjeničnih

napona na ulazu i izlazu pri čemu ti naponi proizvode

ulaznu struju iste veličine a suprotnih smijerova);

hI

IV

212

1 02

Diferencijalni koeficijenat pojačanja struje (odnos

naizmjenične izlazne struje i naizmjenične ulazne struje

napajanja četveropola);


314

hI

VI

222

2 01

Izlazna admitansa tranzistora pri prekinutom ulazu za

naizmjeničnu struju (tj. pri praznom hodu ulaznog kola

četveropola.

Sistem h-parametara nazvan je hibridnim (miješanim) sistemom, jer

ti parametri imaju različite dimenzije:

(h11 [=] , h12 [=] 1, h21 [=] 1, h22 [=] S).

Nezavisno od toga koja je elektroda upotrebljena kao zajednička,

struktura modela se ne mijenja.

Kako bi se označili h-parametri bipolarnog tranzistora u sprezi sa

zajedničkim emiterom, bazom i kolektorom, biće uvedeni indeksi e, b, c

respektivno. Tako je za tranzistor u spoju sa zajedničkim emiterom sistem

jednačina:

11 12

21 22

bbe e e ce

c be e ce

V h I h V

I h I h V

Hibridni model tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom je

prikazan na sl. 3.4.3.

Sl. 3.4.3. Hibridni model tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom.

Pojednostavljeni (uprošćeni) hibridni model tranzistora sa

zajedničkim emietrom pokazan je na slici 3.4.4 kada je zanemaren

parametar h12e.


315

Sl. 3.4.4

Na slici 3.4.5 su zanemareni parametri h12e i h22e.

Sl. 3.4.5.

3.5. Preračunavanje he u hb parametre

Linearni model tranzistora dovoljno je i potpuno opisan

poznavanjem samo jednog skupa od ova tri navedena skupa parametara.

Parametri jedne konfiguracije mogu da se izraze preko parametara druge

konfiguracije i obrnuto. Kada su poznati parametri tranzistora u jednom

spoju lako se izračunavaju parametri u drugom spoju tranzistora.

Neka su, na primjer, poznati he-parametri tranzistora u spoju sa

zajedničkim emiterom i neka treba odrediti vrijednosti hb-parametetre

tranzistora u spoju sa zajedničkom bazom (h he b ). Polazni sistem

jednačina je :


316

11 12bbe ceV h I h V ,

21 22k b ceI h I h V .

Traženi sistem jednačina ima oblik:

11 12eeb b b cbV h I h V ,

21 22c eb b cbI h I h V .

Zbir napona tranzistora je nula a zbir struja tranzistora je nula:

0ce bc ebV V V , 0e c bI I I , b e cI I I

Kako se mijenja predznak naponu ako mu se permutuju indeksi:

ce ec bc cbV V , V V , V Veb be .

Takođe je :

ce bc eb cb eb be ebV V V V V , V V .

Smjenom vrijednosti izlazi :

12 11 11 121 e ceb cbV h h I h I h V ,

21 21 22 221c e eb cbI h h I h V h V .

Uvrštavanjem cI dobija se nakon sređivanja :

21111e

eeb cbe e

h hhV I V

h h

,

gdje je :

21 12 11 221 1eh h h h h .

Smjenom V eb izlazi :

12 221 e

c e cbe e

h h hI I V

h h

.


317

Poređenjem relacija dobija se konačna veza:

11 1111

211b

e

h hh

h h

,

21 11 2212 12

21

1

1

e

be

h h h hh h

h h

,

12 2121

21

1

1

eb

e

h h hh

h h

,

22 2222

211b

e

h hh

h h

.

Primjer 3.1.

Ako su poznate linearizovane ulazne i izlazne karakteristike

tranzistora, grafičkim putem odrediti h parametre n-p-n

tranzistora.Odrediti grafi;kim putem h parametre u radnoj

tački:

Q(VCEQ = 4 V; ICQ = 3,2 mA; IBQ = 40 µA; VBEQ = 0,62 V).

Rješenje

Ulazne karakteristike npn tranzistora.

Iz polja ulaznih karakteristika IB = f(VBE) određuje se

parametar h11 kao:

11 64

0,65 0,61k

50 10CEQ

BE

B V V

Vh

I

,


318

12

40

0 64 0 540 025

4 0BQ

be

ce I A

V , ,h ,

V

.

Iz polja izlaznih karakteristika određuju se slijedeći parametri:

3

21 64

34

22

3,2 1080 ,

40 10

(3,5 3) 1010 .

7 2

CEQ

C C

B BV V

C

CE Q

I Ih

I I

Ih S

V


319

Izlazne karakteristike npn tranzistora.

Primjer 3.2.

Za date vrijednosti he parametara tranzistora u spoju sa

zajedničkim emiterom:

h11 =3 k, h12= 10-4

, h21=75, h22=0,033 mA/V,

parametri za spojeve zajedničkog kolektora i zajedničke baze

iznose:

ZC ZB

11 11 3kc eh h 11

1121

0 04 k1

e

be

hh ,

h

12 121 1c eh h 760/1

1 21

1212

e

eeb

h

hhh

76)1( 2121 ec hh 21

2121

75 76 11

e

be

hh /

h

VmAhh ec /30/12222 22

2221

0 4391

e

be

hh , A / V

h

Documents

3. · emiteru a plus na bazi, dok se inverzna polarizacija kolektorsko-baznog p-n postiže spajanjem pozitivnog pola ems na kolektor a negativnog na bazu. Sl. 3.1.1. Polarizacija