Bipolarni tranzistor

Elektronskekomponente

Bipolarni tranzistor

Struktura i principrada

Struktura

Princip rada

Tehnološka realizacija

(informativno)

Elektricnekarakteristike

Tranzistor kaoprekidac

Tranzistor kaopojacavac

Fototranzistor

Optokapler

Elektronske komponente


Univerzitet u Nišu, Elektronski fakultetKatedra za mikroelektroniku

Zoran Prijic – predavanja 2013.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Sadržaj

Struktura i princip rada

Struktura

Princip rada

Tehnološka realizacija (informativno)

Elektricne karakteristike

Tranzistor kao prekidac

Tranzistor kao pojacavac

Fototranzistor

Optokapler




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Definicija

Bipolarni tranzistor (bipolar junction transistor – BJT) je

poluprovodnicka komponenta koja ima tri elektrode. Elek-

trode se nazivaju emitor, baza i kolektor (emitter, base, col-

lector). U zavisnosti od tehnološke realizacije, razlikuju se

dve vrste bipolarnih tranzistora:

npn tranzistori

pnp tranzistori

Rec tranzistor je kovanica koja potice od engleskih reci tran-

sferred i resistance.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Elektricni simboli(a) npn tranzistor; (b) pnp tranzistor

Baza (B)

Emitor(E)

Kolektor (C)

Q Baza (B)

Emitor(E)

Kolektor (C)

Q

(a) (b)

Uobicajena slovna oznaka za bipolarni tranzistor u elektric-

nim šemama je Q.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

StrukturaStruktura i osnovna polarizacija npn (a) i pnp (b) tranzistora.

Bipolarni tranzistor se sastoji od dva p–n spoja: (1) izmedu

baze i emitora (BE) i (2) baze i kolektora (BC). Osnovna

polarizacija podrazumeva da je prvi p–n spoj polarisan di-

rektno, a drugi inverzno.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Polarizacija

Smisao polarizacije je u tome da omoguci protok struje kroz

tranzistor, od kolektora ka emitoru, pri cemu se intenzi-

tet tog protoka kontroliše preko baze. Realna polarizacija

npn tranzistora pretpostavlja upotrebu naponskih izvora i

otpornika (polarizacija pnp tranzistora je analogna, s tim

što su naponski izvori suprotnog znaka).




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Sadržaj


Struktura

Princip rada





Fototranzistor

Optokapler




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Princip rada

Elektroni u tranzistor ulaze preko kontakta emitora, cineci

na taj nacin struju emitora IE. Pod dejstvom napona di-

rektne polarizacije VBE, elektroni iz emitora prelaze u bazu,

a šupljine iz baze u emitor.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Princip rada

Pošto se šupljine krecu samo prividno, njihovo kretanje u

stvari predstavlja kretanje elektrona koji napuštaju tranzis-

tor kroz kontakt baze, cineci na taj nacin struju baze IB.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Princip rada

S obzirom da je emitor jako dopiran (n+), broj elektrona

koji prelaze u bazu je mnogo veci od broja šupljina koje

prelaze u emitor. Pošto je baza tanka, najveci broj elektrona

koji u nju udu iz emitora difuzijom stiže do osiromašene

oblasti p–n spoja baza–kolektor.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Princip radaSimbolicki prikaz struja unutar npn tranzistora.

Ovi elektroni, pod uticajem elektricnog polja sa kolektora,

bivaju prevuceni preko osiromašene oblasti, tako da dalje

prolaze kroz oblast kolektora. Elektroni izlaze iz tranzis-

tora na kontaktu kolektora, cineci na taj nacin struju kolek-

tora IC.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Princip rada

Naziv bipolarni tranzistor je asocijacija na cinjenicu da u

transportu ucestvuju obe vrste nosilaca naelektrisanja (elek-

troni i šupljine). Unutar tranzistora postoje još i struje koje

su posledica rekombinacionih procesa, ali one ovde nece

biti detaljinije razmatrane. Ipak, treba napomenuti da ove

struje, pod odredenim uslovima, mogu znacajno da uticu

na osobine tranzistora.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Princip radaStruje

Struje na kontaktima tranzistora ocigledno su povezane re-

lacijom:

IE = IB + IC , (1)

pri cemu je struja kolektora mnogo veca od struje baze.

Struja kroz p–n spoj je:

I = IS

exp

V

Vt

− 1

, (2)

pri cemu je V napon na p–n spoju, IS je inverzna struja za-

sicenja p–n spoja, a Vt je termicki napon1.

1Videti predavanja o diodama.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Princip radaStrujno pojacanje

Pošto je p–n spoj baza–emitor direktno polarisan, struje

baze i kolektora su eksponencijalno zavisne od napona VBE.

Zbog toga je njihov odnos konstantan:

β =IC

IB. (3)

Velicina β naziva se strujno pojacanje (current gain), a oz-

nacava se još i kao βDC.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Princip radaStrujno pojacanje

Vrednost strujnog pojacanja se, zavisno od tranzistora, stan-

dardno krece u opsegu 50–500. Tipicne vrednosti su 100–

200, što znaci da je struja kolektora npr. 100 puta veca

od struje baze! Korišcenjem definicije strujnog pojacanja,

struja emitora se može izraziti u obliku:

IE = (1+ β)IB , (4)

pri cemu se, za β ≫ 1, koristi aproksimacija:

IE ≃ β IB = IC . (5)




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Princip rada(a) npn tranzistor i (b) pnp tranzistor u konfiguraciji sa zajednickim

emitorom

Mogu se razlikovati ulazno i izlazno kolo, sa referencom na

zajednicku elektrodu. Pošto je zajednicka elektroda emitor,

ulazno kolo se u ovom slucaju naziva kolo baze, a izlazno

kôlo kolektora.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


emitorom

Struja baze se može posmatrati kao kontrolni parametar u

ulaznom kolu, pomocu koga se upravlja strujom kolektora

u izlaznom kolu. Mala promena struje baze izaziva veliku

promenu struje kolektora, pa se tranzistor može posmatrati

kao pojacavac struje.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


emitorom

Pored toga, kada nema struje baze (u odsustvu napona VBB),

tada nema ni struje kolektora, pa se tranzistor može posma-

trati kao prekidac. Kao zakljucak se može izvesti:

Dva osnovna nacina primene bipolarnog tranzistora

su: pojacavac i prekidac.

Pored konfiguracije sa zajednickim emitorom, moguce su i

konfiguracije sa zajednickom bazom, kao i sa zajednickim

kolektorom.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Sadržaj


Struktura

Princip rada





Fototranzistor

Optokapler




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Tehnološka realizacijaIlustracija tehnološke realizacije npn tranzistora kao diskretne

komponente

Kada se realizuju kao diskretne komponente, na jako do-

pirani supstrat se nanosi slabo dopirani epitaksijalni sloj.

Supstrat i epitaksijalni sloj su dopirani primesama istog tipa.

Zatim se uzastopnim difuzijama formiraju baza i emitor.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


komponente

Jako dopirani supstrat smanjuje rednu otpotnost do kon-

takta kolektora, jer je debljina supstrata nekoliko stotina

µm. Time se omogucava da najveci gradijent napona VBC

bude upravo na delu epitaksijalnog sloja izmedu supstrata

i difuzije baze.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


komponente

To rezultira elektricnim poljem koje je dovoljno jako da

elektrone prevuce preko osiromašene oblasti p–n spoja ba-

za–kolektor. Dodatna p+ difuzija unutar baze služi za os-

tvarivanje dobrog omskog kontakta izmedu tela baze i me-

talizacije.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Tehnološka realizacijaPrimer profila primesa diskretnog npn tranzistora (presek duž dela

zamišljene linije E− C).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Neto

kon

cen

traci

ja p

rim

esa

(cm

-3)

x (µm)

n+ emitor

p baza

n kolektor

n+ supstrat

0

p-n spoj baza-emitor

p-n spoj baza-kolektor




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Tehnološka realizacijaIlustracija tehnološke realizacije npn tranzistora kao komponente u

integrisanim kolima

Kada se realizuju u okviru integrisanih kola tada se na istom

cipu (odnosno u istom supstratu), pored bipolarnog tran-

zistora, nalaze i druge komponente. Zbog toga je izmedu

njih potrebno obezbediti elektricnu izolaciju. To se postiže

spajanjem supstrata na najniži potencijal u kolu, cime je p–

n spoj koji cine supstrat i epitaksijalni sloj stalno inverzno

polarisan.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


integrisanim kolima

Treba primetiti da su u ovom slucaju supstrat i epitaksi-

jalni sloj dopirani primesama razlicitog tipa. Tako se epi-

taksijalni sloj deli na tzv. izolaciona ostrva, unutar kojih se

realizuju pojedinacne komponente. Komponente su medu-

sobno izolovane inverzno polarisanim p–n spojem supstrat–

epitaksijalni sloj. Postoje i druge tehnike izolacije izmedu

komponenata u integrisanim kolima.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


integrisanim kolima

Redna otpornost kolektora se smanjuje dodavanjem n+ di-

fuzije duž dela izolacionog ostrva. U ovom slucaju struja

kroz tranzistor tece lateralno.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

PakovanjaPakovanja diskretnih bipolarnih tranzistora

Diskretni bipolarni tranzistori se pakuju u razlicita kucišta,

ciji materijal, oblik i dimenzije prvenstveno zavise od na-

mene tranzistora. Kucišta su standardizovana i prilagodena

odredenom nacinu montaže.

Diskretni bipolarni tranzistori u kucištima: TO-92 (straight

lead), TO-92 (bent lead), TO-18, TO-39 i TO-126 (s leva

na desno).




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Pakovanja

Neka kucišta se odlikuju dodatnim otvorima koji su predvi-

deni za pricvršcivanje hladnjaka.

Pomocu bipolarnih tranzistora u integrisanim kolima reali-

zuju se složenija elektronska kola. Ova kola predstavljaju

vece funkcionalne celine (npr. operacioni pojacavaci), pa se

tranzistorima unutar njih ne može pojedinacno pristupiti.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

PakovanjaDisipacija snage

Termovizijska slika raspodele temperature na tranzistoru

BD241C pri kontinualnom protoku struje IC ≃ 2.5A. Na

kucište tranzistora je montiran rebrasti hladnjak. Skala je

u opsegu 27 C–136 C.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Podela

Diskretni bipolarni tranzistori se prema nameni mogu uop-

šteno podeliti na:

tranzistore opšte namene (general purpose BJTs),

tranzistore za rad na visokim ucestanostima (RF

BJTs)2,

tranzistore snage (power BJTs).

2RF je skaracenica od Radio Frequency.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Prilikom analize elektricnih karakteristika bipolarnog tran-

zistora potrebno je posmatrati promenu razlike potencijala

izmedu elektroda u zavisnosti od spoljašnje polarizacije:

Q1RB

RC

+VCC

+VBB

IB

IE

IC

VBE

+

VBC

-

-

B

C

E

VCE

-

-

+




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Q1RB

RC

+VCC

+VBB

IB

IE

IC

VBE

+

VBC

-

-

B

C

E

VCE

-

-

+

Kada je p–n spoj baza–emitor direktno polarisan, tada je

napon VBE ≥ VD, pri cemu je VD ≃ 0.75V ugradeni napon

p–n spoja. U tom slucaju je:

IB =VBB − VBE

RB

. (6)

Za konstantnu vrednost napona VBB ce i struja IB biti kons-

tantna.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Q1RB

RC

+VCC

+VBB

IB

IE

IC

VBE

+

VBC

-

-

B

C

E

VCE

-

-

+

Ako je napon VCC = 0V, tada je i p–n spoj baza–kolektor di-

rektno polarisan, pa je VBC ≃ VD. Struja koja tece kroz tran-

zistor je struja direktne polarizacije p–n spoja baza–emitor,

odnosno IE ≃ IB (zbog prisustva otpornika RC je IC ≃ 0 A).




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Q1RB

RC

+VCC

+VBB

IB

IE

IC

VBE

+

VBC

-

-

B

C

E

VCE

-

-

+

Porast napona VCC uzrokuje porast napona VCE, odnosno

smanjenje napona VBC. Kroz tranzistor pocinje da tece struja

IC

IC =VCC − VCE

RC

, (7)

koja raste kako se smanjuje napon direktne polarizacije p–

n spoja baza–kolektor VBC. Drugim recima, sa smanjenjem

napona VBC tranzistor postaje „propusniji“ .




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Q1RB

RC

+VCC

+VBB

IB

IE

IC

VBE

+

VBC

-

-

B

C

E

VCE

-

-

+

Kada p–n spoj baza–kolektor postane inverzno polarisan,

pojavljuje se pojacavacki efekat (VBC ≤ 0 V ⇒ VCE ≥ VD u

idealnom slucaju). Tada struja IC postaje konstantna i odre-

dena relacijom (3). Tranzistor je postigao maksimum svoje

„propusne moci“ pri datoj struji IB. Zbog toga dalje sma-

njenje napona VBC (zbog porasta napona VCC) ne povecava

stuju IC.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Elektricne karakteristikeZavisnost struje kolektora od napona izmedu baze i kolektora kod npn

tranzistora

0

20

40

60

80

100

120

-1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1

VBC (V)

IB = Const.

I C (

mA

)

VD

Realno, pojacavacki efekat ce se ispoljiti dok je p–n spoj

baza–kolektor još uvek direktno polarisan, cim napon VBC

opadne dovoljno da kroz spoj ne tece znacajna struja di-

rektne polarizacije.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Elektricne karakteristikeZakocenje

Kada je napon VBB = 0V, p–n spoj baza–emitor nije direk-

tno polarisan. Zbog toga je IB = 0A, pa ne teku ni struje IE i

IC, tako da je VCE ≃ VCC. Tranzistor se može smatrati zako-

cenim (cutoff) ili iskljucenim. Kada je tranzistor zakocen,

kroz njega teku samo inverzne struje zasicenja p–n spojeva,

koje se na sobnoj temperaturi mogu zanemariti. Suštinski,

zakocenje tranzistora se može posmatrati kao situacija u

kojoj su oba p–n spoja inverzno polarisana.

Tranzistor je zakocen kada su mu oba p–n spoja

inverzno polarisana.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Kada napon VBB poraste tako da direktno polariše p–n spoj

baza–emitor, kroz tranzistor tece struja IB. Porast napona

VBB uzrokuje i porast struje IB, prema (6). Sa porastom

struje IB raste i struja IC, prema (3). Za svaku konkretnu

vrednost struje IB se može nacrati po jedna kriva koja pri-

kazuje zavisnost struje IC od napona VCE. Time se, koriš-

cenjem struje IB kao parametra ulaznog kola, može dobiti

skup strujno–naponskih karakteristika izlaznog kola. Ovaj

skup predstavlja izlazne karakteristike tranzistora.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Elektricne karakteristikeIzlazne karakteristike




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Elektricne karakteristikeZasicenje

Medutim, porast struje IC zbog porasta struje IB izaziva i

smanjenje napona VCE, jer pad napona na otporniku RC

raste:

VCE = VCC − ICRC . (8)

Kada napon VCE postane dovoljno mali da p–n spoj baza–

kolektor bude direktno polarisan, struja IC naglo opada, jer

pojacavacki efekat više ne može da se održi. Zbog toga

što su oba p–n spoja direktno polarisana, baza je zasicena

(saturated) elektronima koji se u nju injektuju iz emitora i

kolektora. Prema tome, postoji granicna vrednost napona

VCE pri kojoj porast struje IB više ne izaziva porast struje

IC. Ova vrednost se naziva napon zasicenja i oznacava sa

VCE(sat). Radni režim tranzistora pri ovakvim uslovima po-

larizacije naziva se zasicenje.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Elektricne karakteristikeZasicenje

Tranzistor je u zasicenju kada su mu oba p–n spoja

direktno polarisana.

Napon zasicenja je mali i tipicna vrednost mu je VCE(sat) ≃

0.2V. Zbog toga se tranzistor u zasicenju može u prvoj

aproksimaciji posmatrati kao kratak spoj izmedu kolektora

i emitora. Prebacivanjem tranzistora iz zakocenja u za-

sicenje i obratno, postiže se da tranzistor radi kao preki-

dac. Treba naglasiti da za tranzistor u zasicenju relacija

β = IC/IB ne važi.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Elektricne karakteristikeAktivni režim

Radna prava je odredena izrazom (8). Izmedu zakocenja i

zasicenja, duž radne prave, nalazi se aktivna oblast ili ak-

tivni režim rada tranzistora. U aktivnoj oblasti rada tranzis-

tor radi kao pojacavac, tj. važi relacija β = IC/IB.

Tranzistor je u aktivnoj oblasti kada su mu je p–n spoj

baza–emitor direktno polarisan, a p–n spoj

baza–kolektor inverzno polarisan.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Elektricne karakteristikeInverzni aktivni režim

Bipolarni tranzistor može da radi i kada mu je p–n spoj

baza–emitor inverzno polarisan, a p–n spoj baza–kolektor

direktno polarisan. Ovaj režim rada naziva se inverzni ak-

tivni režim ili inverzna aktivna oblast.

Tranzistor je u inverznoj aktivnoj oblasti kada su mu

je p–n spoj baza–emitor inverzno polarisan, a p–n spoj

baza–kolektor direktno polarisan.

Strujno pojacanje u inverznom aktivnom režimu je malo.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Elektricne karakteristikePolarizacija p–n spojeva npn tranzistora u razlicitim režimima rada.

VBE

VBC

0




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Elektricne karakteristikeOblast proboja.

Napon VCE se u aktivnoj oblasti može povecavati sve dok

kod p–n spoja baza–kolektor ne nastupi proboj. Tada dolazi

do naglog porasta struje IC.

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

I C (

mA

)

VCE (V)

oblast proboja

Tranzistor se normalno ne polariše tako da bude u oblasti

proboja.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Tranzistor kao prekidacIlustracija principa primene npn tranzistora kao otvorenog (a) i

zatvorenog (b) prekidaca

RC

VCC

S1Q1RB

RC

VCC

S1Q1RB

VBB

VCC VCE(sat)

IC

(a) (b)

0 V

Kada je tranzistor u oblasti zasicenja, napon zasicenja VCE(sat)

je mali, tako da se tranzistor ponaša približno kao kratak

spoj na izlazu.

Da bi tranzistor radio kao prekidac, potrebno je da u

neprovodnom stanju bude zakocen, a da u

provodnom stanju bude u oblasti zasicenja.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Tranzistor kao prekidacOsnovna kola npn (a) i pnp (b) tranzistora kao prekidaca

RC

VCC

Q1RB

RC

VCC

Q1RB

0

0

VCC

0

VBB

0

VCC

(a) (b)

VBB

Kako je napon VCE(sat) mali, njegov uticaj na izlaz kola se za-

nemaruje, zbog cega je na slici upotrebljen znak „približno

jednako“(≃).




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Tranzistor kao prekidacTalasni oblici ulaznog i izlaznog signala u prekidackom kolu pnp

tranzistora

Ulazni signal

Izlazni signal

Izlazni signal je invertovan u odnosu na ulazni. Zbog toga

osnovno prekidacko kolo tranzistora u logickom smislu pred-

stavlja invertor.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Tranzistor kao prekidacNPN tranzistor u kolu LED indikatora stanja

Kada je VBB = 0V, tranzistor je zakocen, pa kroz LE diodu

ne tece struja. Kada je VBB = 5V, tranzistor treba da bude

u oblasti zasicenja, tako da kroz LE diodu tece struja ID1 =

IC = 20mA. Za crvenu LE diodu je VD1 = 1.8V.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Tipicne vrednosti parametara tranzistora su: VCE(sat) = 0.2V,

VBE = 0.75V i β = 100.

Za ove uslove je potrebno odrediti odgovarajuce vrednosti

otpornika RC i RB tako da tranzistor bude u zasicenju.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Vrednost otpornika RC odreduje se iz izlaznog kola tranzis-

tora:

RC ≃VCC − VD1 − VCE(sat)

IC=

5− 1, 8− 0, 2

20× 10−3= 150Ω . (9)




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Tranzistor ce biti u zasicenju za svaku struju baze za koju

je ispunjen uslov:

IB >IC

β=

20× 10−3

100= 200µA . (10)




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Iz ulaznog kola tranzistora može se odrediti vrednost ot-

pornika RB koja obezbeduje da tranzistor bude u zasicenju:

RB =VBB − VBE

IB=

5− 0, 75

200× 10−6= 21.25kΩ . (11)




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Tranzistor kao pojacavacPojacanje malih signala

Koncept primene tranzistora kao pojacavaca zasniva se na

pojacanju naizmenicnih malih signala. To znaci da su am-

plitude signala koji se pojacavaju mnogo manje od ampli-

tuda jednosmernih napona napajanja VBB i VCC.

Ulazni signal vin se pojacava tako da se na izlazu (kolek-

toru tranzistora) pojavljuje signal cija je amplituda propor-

cionalno uvecana.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Da bi tranzistor pravilno radio kao pojacavac, radnu tacku

Q treba postaviti na odredenom mestu duž radne prave,

tako da se ulazni signal pojacava bez izoblicenja (distortion).




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Kada je tranzistor u aktivnoj oblasti rada, promena ulaznog

napona vin ce izazivati promenu struje baze:

iBQ = IBQ + ib

Zbog toga ce se promeniti i struja kolektora, a samim tim i

napon izmedu kolektora i emitora:

iCQ = ICQ + ic

vCEQ = VCEQ + vout

Naizmenicni izlazni signal vout ce biti veci po amplitudi od

naizmenicnog ulaznog signala vin, cime se ostvaruje poja-

cavacki efekat.

Da bi tranzistor radio kao pojacavac, potrebno je da u

provodnom stanju bude u aktivnoj oblasti rada.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Tranzistor kao pojacavacNepravilan izbor položaja radne tacke




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Ako je VBE = 0.85V, VBB = 5V i RB = 10kΩ, onda je struja

baze:

IBQ =VBB − VBE

RB

=5− 0, 85

10× 103≈ 400µA . (12)

Ako je pojacanje tranzistora β = 100, ova struja baze ce

proizvesti struju kolektora ICQ = β IBQ ≈ 40mA.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Za ovu struju kolektora se na izlaznim karakteristikama

tranzistora može odabrati radna tacka Q tako da je VCEQ ≈

4V.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Ako je VCC = 12V, izracunava se:

RC =VCC − VCEQ

ICQ

=12− 4

40× 10−3= 200Ω . (13)

Sada se može nacrtati radna prava:

IC =VCC

RC

−VCE

RC

. (14)

Tranzistor ce sigurno biti u aktivnoj oblasti za svaku vred-

nost radne tacke izmedu tacaka X i Y duž radne prave. To

znaci da ce se bez izoblicenja pojacati svaki signal koji pro-

izvodi struju baze u opsegu 300µA–500µA.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler


Na primer, ulazni naizmenicni signal oblika:

vin = Vin sin(ωt) ≡ Vin sin(2πft) , (15)

cija je amplituda Vin = 100mV i ucestanost f = 1kHz iza-

zvace promene struje baze tako da je:

IB(max) =5, 1− 0, 85

10× 103= 425µA

IB(min) =4, 9− 0, 85

10× 103= 405µA .

Promena struje baze od 425− 405 = 20µA bice pojacana

β = 100 puta, pa ce tako promena struje kolektora u oko-

lini radne tacke biti ∆ICQ = 2mA.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Tranzistor kao pojacavacOva promena ce na otporniku RC izazvati promenu napona

2× 10−3× 200 = 400mV, odnosno ±200 mV u odnosu na

vrednost napona VCEQ. Izlazni naizmenicni signal je poja-

can dva puta u odnosu na ulazni i fazno pomeren za 180.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Tranzistor kao pojacavacEksperimentalni primer

Ulazni signal amplitude Vin = 200mV pojacan je približno

8 puta.

vin

vout

100mV

1V




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

FototranzistorIlustracija tehnološke realizacije (a) i elektricni simboli (b)

Fototranzistor je bipolarni tranzistor koji pripada grupi op-

toelektronskih komponenata. Realizuje se tako da mu je

oblast baze izložena dejstvu upadne svetlosti

Emetalizacija

SiO2

p

n+-supstrat

C

n+

n-epi

emitorbaza

kolektor

(a) (b)

Tranzistor se polariše tako da mu je kolektor na pozitivnom

potencijalu u odnosu na emitor. Elektroda baze može pos-

tojati, ali se ona na polariše.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

FototranzistorPrincip rada

Pod dejstvom upadne svetlosti, unutar osiromašene oblasti

p–n spoja baza–kolektor dolazi do generacije parova elek-

tron–šupljina. Pošto je spoj baza–kolektor inverzno polari-

san, šupljine iz osiromašene oblasti prelaze u bazu, a elek-

troni u kolektor, cineci na taj nacin fotostruju IP. Zbog toga

se povecava pozitivni potencijal baze u odnosu na emitor.

Efektivno, ovo se manifestuje kao porast struje baze kod

standardnog bipolarnog tranzistora, tako da je struja ko-

lektora fototranzistora:

IC ≃ β IP . (16)

Kod fototranzistora je IC = IE, jer je baza „otvorena“. Dru-

gim recima, struja baze ne postoji, a pojacava se samo fo-

tostruja.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

FototranzistorIzlazne karakteristike

Umesto struje baze, na izlaznim karakteristikama tranzis-

tora se kao parametar daje iradijansa upadne svetlosti Ee.

Struja kolektora kada tranzistor nije osvetljen naziva se stru-

ja mraka (collector dark current). Tipicno je reda velicine

nA, ali sa porastom temperature raste za više redova veli-

cine i može da „maskira“ fotostruju.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

FototranzistorSvetlosni spektar

400 500 600 70010

UV vidljiva svetlost IC

106

UV - ultraljubicasta svetlost

IC - infracrvena svetlost




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

FototranzistorRelativna spektralna osetljivost

Fototranzistor cija je zavisnost relativne spektralne osetlji-

vosti od talasne dužine upadne svetlosti data na slici projek-

tovan je tako da je najosetljiviji u infracrvenom podrucju.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

FototranzistorElektronski prekidac koji reaguje na upadnu svetlost: (a) sa zajednickim

emitorom; (b) sa zajednickim kolektorom

U oba slucaja vrednosti otpornika se biraju tako da tran-

zistor bude u zasicenju. Sa nailaskom upadne svetlosti na-

pon na izlazu u konfiguraciji sa zajednickim emitorom je

VOUT = VCE(sat) ≃ 0 V, dok je u konfiguraciji sa zajednickim

kolektorom VOUT = VCC − VCE(sat) ≃ VCC.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Optokapler

Optokapler je komponenta koja se sastoji od LE diode i fo-

totranzistora integrisanih u jednom kucištu.

Optokapler predstavlja komponentu sa svetlosnom spregom

izmedu ulaza i izlaza. Signal sa ulaza izaziva emisiju sve-

tlosti LE diode. Ova svetlost predstavlja pobudu fototran-

zistora, tako da se na izlazu pojavljuje odgovarajuci signal.

Ulaz i izlaz su medusobno galvanski izolovani. Galvanska

izolacija cini optokapler pogodnim za primenu u svim ure-

dajima kod kojih korisnik može doci u dodir sa potenci-

jalno opasnim nivoima sinala (merni instrumenti, medicin-

ski uredaji, telekomunikacioni uredaji, itd.)




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

OptokaplerEfikasnost sprege (coupling efficiency)

Definiše se kao odnos struje kolektora fototranzistora IC i

struje fotodiode pri direktnoj polarizaciji IF:

η=IC

IF· 100 (%) . (17)

Ovaj parametar se još naziva i prenosnim odnosom struja

(CTR - Current Transfer Ratio).




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Optokapler

Za optokapler je od znacaja i maksimalni napon izolacije i

on tipicno iznosi nekoliko kV (za vece vrednosti može doci

do elektricnog proboja izmedu ulaza i izlaza kola).

Optokapler se može polarisati tako da izlazni tranzistor bude

u aktivnom režimu ili u zasicenju.

Kada je izlazni tranzistor u zasicenju, optokapler predstav-

lja prekidac sa svetlosnom spregom.




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Optokapler

U širokoj upotrebi je varijanta optokaplera koja se naziva

opticki prekidac (optical switch, optoinerrupter). U ovom

slucaju se optokapler nalazi u kucištu sa procepom.

Fototranzistor, optokapler i opticki prekidac

(s leva na desno).




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Optokapler

Procep na srednini kucišta omogucava da optokapler re-

aguje svaki put kada se izmedu LE diode i fototranzistora

pojavi netransparentni objekat. Opticki prekidaci se prime-

njuju u fotokopir mašinama, štampacima, citacima kartica,

itd. Posebnu primenu nalaze u proizvodnim postrojenjima,

gde se koriste unutar mašina za detekciju komada reproma-

terijala ili poluproizvoda. Cesto se izlaz optickog prekidaca

povezuje na ulaz digitalnog brojaca, što je korisno na lini-

jama za pakovanje.

Optokapleri se takode pojavljuju i u varijantama koje su po-

godne za detekciju objekata na kratkim rastojanjima. Takvi

optokapleri se nazivaju reflektivni opticki senzori ili, skra-

ceno, retro senzori (retro sensors).




Struktura

Princip rada


(informativno)




Fototranzistor

Optokapler

Dodatna literatura

1. S. Ristic, "Elektronske komponente", predavanja,

www.elfak.ni.ac.rs

2. T. Floyd, "Electronic Devices", 9th Ed., Pearson

Education, 2011.

3. R. Boylestad and L. Nashelsky, "Electronic Devices and

Circuit Theory", 11th Ed., Pearson Education, 2012

Documents

Bipolarni tranzistor