Bipolarni Tranzistori i Karakteristike Tranzistora ,Predavanja 29.03.2013

Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV , 29.marta 2013.godine

Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 1

7

Tranzistor (transfer resistor prijenosnik otpora)

Prvi tranzistor: prosinac 1947. Barden, Brattain i Shockley(Bell Labs) Rezultati objavljeni u ljeto 1948.

BJT Bipolar JunctionTransistor

Slika: Model prvog tranzistora

Bipolarni tranzistori



SADANJI IZGLED BIPOLARNOG TRANZISTORA stanje tehnike



9

; ; ; ,

2



8

Osnovna ideja:naponom i strujom (tipino velikim) u izlaznom elektrinom krugu upravlja se pomou struje (male) iz drugog, ulaznog, kruga BJT je strujno upravljan element

Aktivni poluvodiki elementi (zahtijevaju napajanje za normalan rad)

U pravilu imaju tri elektrode

Za razliku od unipolarnih tranzistora, za operaciju bipolarnih tranzistora kljuni su veinski, no i manjinski nositelji naboja. Dakle, bitna su oba polariteta nositelja naboja, pa onda i ime: bipolarni tranzistori.

Koriste se kao pojaala i elektronike sklopke.



9

P P PN N NE C

B B

E C

E C

B

E C

B

a) b)

Tri elektrode koje tranzistor ima su: E emiter (emitira nositelje naboja), C-kolektor (sakuplja nositelje naboja), B baza (upravlja protokom iz emitera u kolektor).

a) P-N-P b) N-P-NShematski prikaz i simbol BJT tipova

Spoj dva PN spojaJo se nazivaju i spojni (junction).

Osnovna razlika izmeu NPN i PNP tipa su, konstrukcijski gledano, obrnuti tipovi poluvodia, a u koritenju obrnute polarizacije elektroda



10

Spajanje tranzistora Ulazni i izlazni krug.

Dvije baterije koje osiguravaju potrebne napone tj. polarizacije.

Mogua je i izvedba s jednom baterijom kojom se realiziraju dva napona.

Ovisno o vrstama spoja (zajednikoj elektrodi) tranzistora moemo imati 3 razliita spoja tranzistora:

spoj sa zajednikom bazom (ZB)

spoj sa zajednikim emiterom (ZE)

spoj sa zajednikim kolektorom (ZC)



11

PNP tranzistor u spoju sa zajednikom bazom (za NPN polarizacije baterija okrenute)

P PN

E CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

E C

B

PNP

Ulazni krug: krug E-B Izlazni krug: krug C-B

Baza je zajednika za ulazni i izlazni krug pa kaemo da se radi o spoju sa zajednikom bazom (ZB)

Kod uobiajenog rada tranzistora, bez obzira na vrstu spoja (ZB, ZE ili ZC), u normalnom radu tranzistora, dioda emiter-baza polarizirana je propusno, a dioda kolektor-baza nepropusno.



12

Unutranja kretanja nositelja naboja u normalno polariziranom PNP tranzistoru u spoju sa zajednikom bazom (ZB)

P PNE CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE-INE

E E

Osnovni princip rada bipolarnog tranzistora

Napomena: struje sa negativnim predznakom se odnose na struje

koje se sastoje od gibanja negativnog naboja (elektrona),

dakle suprotno od konvencije da smijer struje odgovara smijeru

gibanja pozitivnog naboja. Podsjetimo se ako se elektroni

gibaju u jednom smijeru, to znai da se upljine gibaju u suprotnom

smijeru. Ako se struja naznai u smijeru gibanja elektrona, onda je

konvencionalni smijer strujesuprotan, zato se stavlja -.



13

IPE struja + nositelja u E

INE struja - nositelja (iz B; uzima se kretanje sl. elektrona, dakle negativnih naboja, pa predznak -) u E

P PNE CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE-INE

E E

Prvo ocite struje:

Spoj EB je PROPUSNO polariziran kroz PN spoj difuzno prolaze VECINSKI nositelji:

NEPENEPEE IIIII )(1. Kirchh.zakon



14

ICB0 struja zasicenja (zaporno polariziranog PN spoja CB)

IPC ovo nije tako ocito; slijedi objanjenje

P PNE CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE-INE

E E

Prvo ocite struje:

Spoj CB je NEPROPUSNO polariziran kroz PN spoj prolaze driftno samo MANJINSKI nositelji:

to sa ostalim strujama?



15

P PNE CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE-INE

E E

KLJUNA IDEJA:

Fizika irina baze znatno manja oddifuzijske duljine upljina koji se injektiraju iz E.

Posljedica velika veina upljina iz E, umjesto da se rekombinira u B, doe do zapornog CB spoja, tu ih zahvaapolje kontakta i transportira u kolektor (jer su upljine u B manjinski nositelji, a sjetimo se, polje kontakta ne sprijeava manjinske nositelje pri prolazu, dapae). Dakle, emiter odailje (emitira) upljine, a kolektor is skuplja (kolekcionira) odavde imena elektroda E i C.

Ove upljine sainjavaju IPC.

PCCBC III 0



16

P PNE CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE-INE

E E Tek manji dio upljina iz E (oko 1%) uspije se rekombinirati sa elektronima u B, sainjavajui IR, pa je:

0

0)(

CBRNE

CBRNEB

IIIIIII

Na svaki elektron koji doe u B, E treba poslati cca 100 upljina da bi se elektron rekombinirao (jer ih se cca 99 transportira u C prije nego se stignu rekombinirati u B).

IPC je cca 100 puta vea od IR mala promjena IR izaziva cca 100 puta veu promjenu IPE , zbog toga i IPC , a samim tim IC (jer je ICBO zanemarivo mala prema IPC , pa IPC IC ) ovo je pojaivaki efekt tranzistora



17

P PNE CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE-INE

E E IR je kontrolirana preko IB (koja se,

ako je shema spajanja tranzistora takva (ovdje NE), iz vanjskog svijeta moe podeavati).

No, dio IB se ne iskoristi, ve se izgubi na struje INE i ICBO (jer one ne sudjeluju u pojaivakom efektu, koji zavisi samo o IR)

Stoga se BJT izrauje da se ove beskorisne struje minimiziraju

ICBO je vrlo mala, no INE (veinski nositelji iz baze) u principu moe biti znatna ovo bi znailo da se znatan dio IB ne iskoristi za pojaanje (tj. za IR), vejednostavno izgubi difundiranjem u E

Stoga se BJT izrauje tako da INE bude to manja baza je zato znatno manje oneiena od emitera INE je znatno manje od IPE



18

Istosmjerni faktor strujnog pojaanja spoja ZB (za smjerove struja kao na slici):

E

CPCCBCBPCC

E

PC

IIIIIII

II

00 ,

P PNE CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE-INE

E E

Izmjenini faktor strujnog pojaanja:

konstUE

C

CBii

' 0.95,0.995

Spoj ZB nema strujnog pojaanja!

BITNO!



19

No, pogledajmo naponsko pojaanje(omjer promjene ulaznog napona UEB i izlaznog napona UCB).

P PNE CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE-INE

E E

Dinamiki otpor ulaznog kruga (propusno polariziran spoj EB) je malen.

Dinamiki otpor izlaznog kruga (zaporno polariziran spoj CB) je velik.

Spoj ZB ima veliko naponsko pojaanje!

S obzirom da su ulazna i izlazna struja priblino iste (IE IC), po Ohmovom zakonu (U=I x R) slijedi da e promjena ulazne struje izazvati malu promjenu ulaznog napona, no veliku promjenu izlaznog napona (jer je izlazna struja priblino ista kao ulazna, ali izlazni dinamiki otpor je znatno vei od ulaznog)



20

Spoj ZE

UBE+ -UCE

IB

IE

ICE

C

BPNP

Za nepropusnu polarizaciju spoja kolektor-baza mora biti ispunjen uvjet

BECE UU

Faktor strujnog pojaanja (istosmjerni) spoja ZE :

B

C

II

E

C

II

0:. CEB IIIzakonKirchI

1)( EE

E

CE

E

III

III

(obino 20..200)

Spoj ZE ima veliko i strujno i naponsko pojaanje najee koriten spoj!

BITNO!Uoiti da to je blie 1, je vei!



21

Spoj ZC

Emitersko sljedilo

- veliko strujno pojaanje- nema naponskog pojaanja (promjena ulaznog napona izaziva

praktino istu promjenu izlaznog napona)

UBC UEC

IBIE

IC

E

C

BPNP



22

Prema polarizaciji emiterskog i kolektorskog spoja, razlikujemo rad tranzistora u etiri podruja:

Podruja rada BJT-a - BITNO

1. Normalno aktivno podruje EB propusno, CB nepropusno2. Inverzno aktivno podruje CB propusno, EB nepropusno3. Podruje zasienja EB propusno, CB propusno4. Zaporno podruje EB nepropusno, CB nepropusno

pojaalo

sklopka Praktino se ne koristi



Karakteristike tranzistora

Moe se pokazati da su struje u tranzistoru odreene sljedeim zakonitostima

(1.4-1)

(1.4-2)

(1.4-3)

pri emu je ISE reverzna struja zasienja spoja baza-emiter, parametar oznaava strujno pojaanje zajednike baze i predstavlja dio struje emtera iE koji doprinosi ukupnoj kolektorskoj struji, ICBO je reverzna struja zasienja spoja kolektor-baza u sluaju odspojenog emitera, a UT je toplinski napon odreen izrazom

.. (1.4-4)

Napon UT predstavlja naponski ekvivalent temperature i kod temperature od 300 K ima vrijednost 25.861x 10-3 V.



Drugi vaan parametar tranzistora je strujno pojaanje zajednikog emitera izraeno kao

.. (1.4-5)

Vrijednost parametra je priblino stalna i blizu je, ali uvijek manja od 1.

Najea vrijednost parametra je u rasponu od 0.9 do 0.988, tako da je vrijednost parametra u rasponu od 9 do 500.

Promjene parametra su usko vezane s promjenama parmetra .

Prethodno navedeni modeli i jednaine vrijede u sluaju idealnog tranzistora.

Modeli i jednaine u sluaju realnog tranzistora odstupaju od idealnih i najbolje se ogledaju u statikim karakteristikama tranzistora.

Statike karakteristike zamiljenog npn tranzistora prikazuje slika 1.4-3.



Emiterske karakteristike, slika 1.4-3(a),

prikazuju zavisnost emiterske struje iE o naponu propusne polarizacije emitera uBE za nekoliko vrijednosti napona uCB.

Vidljiva je zavisnost krivulje iE-uBE o naponu uCE.

Zavisnost je manja za napone uCE vee od nekoliko volti.

Krivulja iE-uBE pokazuje i temperaturnu zavisnost, pa tako kod silicijevog tranzistora, uz stalni iznos struje iE, napon uBE opada

za 2 mV kod porasta temperature za 1 K.

Slika 1.4-3 : Statike karakteristike zamiljenog tranzistora u spoju zajednike baze, (a) karakteristike emitera i (b) karakteristike kolektora



Kolektorske karakteristike, slika 1.4-3(b),

pokazuju zavisnost kolektorske struje iC prema naponu kolektor-baza uCB uz razliite stalne iznose struje emitera iE.

Kao to je i za oekivati iz izraza (1.4-2), slijedi da je kolektorska struja iC u aktivnom podruju gotovo nezavisna o kolektorskom naponu i zavisi samo o struji iE.

U idealnom sluaju, kada bi bilo jednako jedinici, kolektorska struja bi bila jednaka emiterskoj struji, iC = iE.

U sluaju realnog tranzistora iC iE i krivulja ima mali nagib koji oznaava slabu zavisnost o naponu uCB.

Za vee vrijednosti napona uCB, zavisnost se pojaava, te se u tehnikom podacima o tranzistoru navodi i napon proboja UCBO iznad kojega tranzistor ne moe raditi.

Kod toga napona iznos struje iC naglo poraste.

Ako se ne prekorae dozvoljeni iznosi struja i temperature, tranzistor moe raditi u podruju proboja.

Slijedi opis rada tranzistora u reimu zapiranja i zasienja, prema slici 1.4-3(b).

U aktivnom reimu rada, zbog odravanja nepropusne polarizacije spoja kolektor baza, napon uCB > 0.

Meutim, kada je uCB < 0, spoj kolektor-baza postaje propusno usmjerenim, kod uCB = -0.6 V, struja koju daje emiter je smanjena te se smanjuje i iC.

U tom sluaju spoj kolektor-baza djeluje kao obina spojna dioda i struja moe poprimiti negativnu vrijednost.

Opisani rad, kada je uCB < -0.6 V, odgovara radu tranzistora u podruju zasienja.



Tranzistor pak radi u reimu zapiranja kada je iE = 0, uz uCB > -0.6 V, emu odgovara iC = ICBO 0 i spoj baza-emiter ne vodi.

U nekim elektrinim krugovima tranzistor radi kao dvopolni element, s ulaznim i izlaznim stezaljkama, pri emu baza tvori zajedniku stezaljku.

U spoju zajednike baze, karakteristike prikazane na slici 1.4-3(a) i (b) se nazivaju ulaznim, odnosno izlaznim karakteristikama.

Slika 1.4-4 : Kolektorske karakteristike bipolarnog tranzistora npn tipa s naponom baza-emiter kao parametrom



Najea primjena tranzistora je u spoju zajednikog emitera, pri emu za ulaz signala slui baza, a izlaz kolektor.

U sluaju kada je ulazni napon jednak naponu baza-emiter, izgled izlaznih karakteristika prikazuje slika 1.4-4.

Kada su krivulje priblino linearne do take prekida, aktivno podruje odgovara naponu uCE izmeu 0.6 do 0.8 V.

Ako se linearne krivulje ekstrapoliraju u suprotnu stranu pozitivne osi uCE, sastaju se u taki -UA koja se

naziva Early-jevim naponom.

Tipina vrijednost napona UA se kod bipolarnih spojnih tranzistora kree u rasponu od 50 do 100 V.

Early-jev efekt dovodi do pozitivnog nagiba krivulja, a rezultat je irenja osiromaenog sloja spoja kolektor-baza i

smanjenja djelatne irine baze,

pri porastu napona uBE.

Iz toga proizlazi i obrnuta proporcionalnost struje ISE u odnosu na irinu baze (1.4-1), to rezultira porastom struje iC prema izrazu (1.4-2).



Poveanje struje iC se opisuje dodavanjem posebnog faktora struji ISE, te izraz za iC glasi

.(1.4-6)

Ponaanje spoja zajednikog-emitera zamiljenog npn silicijskog tranzistora prikazuje slika 1.4-5.

Ulazne karakteristike na slici 1.4-5(a) opisuju zavisnost iB-uBE.

Uoljiva je zavisnost o naponu kolektor-emiter, uCE.

Izlazne karakteristike, slika 1.4-5(b), su sline krivuljama na slici 1.5-3, osim to stalni parametar pojedine krivulje umjesto napona predstavlja struja baze.

Uzrok pojave napona proboja u spoju zajednikog emitera je sloeniji negoli kod spoja zajednike baze.

Napon iznad kojega tranzistor u spoju zajednikog emitera ne moe pravilno raditi naziva se naponom zadravanja, UCEO, i

otprilike iznosi polovinu vrijednosti napona proboja tranzistora u spoju zajednike baze UCBO.



Slika 1.4-5: Statike karakteristike zamiljenog tranzistora u spoju zajednikog emitera (a) ulazne karakteristike

i (b) izlazne karakteristike



VJEBE

Zadaci iz tranzistora za II parcijalni ispit

Documents

Bipolarni Tranzistori i Karakteristike Tranzistora ,Predavanja 29.03.2013