III ET II ,Predavanja 4-10.,2014.,MGacanovic

5/26/2018 III ET II ,Predavanja 4-10.,2014.,MGacanovic

1/144

UNIVERZITET U BANJOJ LUCIPRIRODNO MATEMATIKI FAKULTET

predmet :

ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJAII

INTERNO

predavanja:Prof.Dr Mio GAANOVItema: T R A N Z I S T O R I mart april 2014.godine.

predavanjebroj: 4.-10.

1

TRANZISTORIo

BIPOLARNI TRANZISTORIo UNIPOLARNI TRANZISTORI


2/144


3/144


predmet : ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA IIINTERNO



3

Tranzistorje poluprovodniki ili poluvodiki elektroniki element .

Koristi se za :

pojaavanje elektrinih signala,kao elektronika sklopka,za stabilizaciju napona,

modulaciju signala

i

mnoge druge primjene.

Osnovni je konstrukciono postojei kao tvorni element mnogih

elektronikih sklopova,integrisanih krugova

i

elektronikih raunra.


4/144





4

Tranzistori se prema nainu rada dijele u dvije glavne grupe:

1.bipolarnetranzistore (eng. BJT- Bipolar Junction Transistor)kod kojih vodljivost ovisi o manjinskim nositeljima elektrinog naboja

(elektronima u NPN ili upljinama u PNP tipu)

te

2.unipolarnetranzistore (eng. FET- Field Effect Transistor)kod kojih vodljivost ovisi samo o veinskim nositeljima elektrinog naelekrisanja ili naboja

(elektronima u N-kanalnom ili upljinama u P-kanalnom tipu).

Pod pojmom tranzistor najee sepodrazumijeva ranije otkriveni bipolarni spojni (junction )tranzistor,

a

kada se govori o unipolarnom tranzistoruredovno se naglaavao kojoj se vrsti unipolarnog tranzistora radi.


5/144





5

Bipolarni spojni tranzistor (BJT)

je

strujno upravljani strujni elektroniki element sa tri stezaljke.

Sl.1.:Izgled i simbol BJT tranzistora


6/144





6

Sl.2.:Bipolarni spojni (junction) tranzistor NPNu strujnom kolu

Simbol PNP bipolarnog tranzistora Simbol NPN bipolarnog tranzistora


7/144





7

NPN bolarni tranzistor

NPN tranzistor

Tranzistor BJT tip NPNu strujnom kolu

Kuie BJT tranzistora Tipovi BJT tranzistora

Sl.2.:Bipolarni tranzistor (BJT) tip NPN


8/144





8

BIPOLARNI TRANZISTOR KAO POJAIVA

o


9/144





9

I S T O R I J ARAZVOJA BJTTRANZISTORA

7

Tranzistor(transfer resistor

prijenosnik otpora)

Prvi tranzistor: decembar

1947. Barden, Brattain i

Shockley (Bell Labs)Rezultati objavljeni u ljeto

1948.

BJTBipolar Junction

Transistor

Slika 3.:Model prvog tranzistora

Bipolarni tranzistori BJT


10/144





10

STANJE TEHNIKErazvoja BJT tranzistora

Slika 4.:TEHNIKA IZVEDBA BIPOLARNOG TRANZISTORAu sadanjem stanju tehnike


11/144





11

9

BIPOLARNI TRANZISTORI

Struktura i princip rada Klasifikacija; Karakteristike; Ekvivalentna kola;

Analiza tranzistorskihih kola,BAZA

EMITOR

KOLEKTOR

Modelovanje

tranzistora

Slika 4.:


12/144





12

8

Osnovna ideja:

naponom i strujom (tipino velikim) u izlaznomelektrinom krugu upravlja se pomou struje (male)iz drugog, ulaznog, kruga BJT jestrujnoupravljan element

Aktivni poluvodiki elementi (zahtijevaju napajanjeza normalan rad)

U pravilu imaju tri elektrode

Za razliku od unipolarnih tranzistora, za operacijubipolarnih tranzistora kljuni su veinski,no imanjinski nositelji naboja. Dakle, bitna su obapolariteta nositelja naboja, pa onda i ime:bipolarnitranzistori.

Koriste se kao pojaala i elektronike sklopke.


13/144





13

9

P P PN N NE C

B B

E C

E C

B

E C

B

a) b)

Slika 5.: 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-N

ematski prikaz i simbol BJT tipova

Spoj dva PN spoja

Jo se nazivaju i

spojni (junction).

Osnovna razlikaizmeu NPN i PNP

tipa su,

konstrukcijski

gledano, obrnuti

tipovi poluprovodnika,

a u koritenju obrnute

polarizacije elektroda


14/144





14

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) tranzistoramoemo imati 3 razliita spoja tranzistora:

spoj sa zajednikom bazom (ZB)

spoj sa zajednikim emiterom (ZE)

spoj sa zajednikim kolektorom (ZC)


15/144





15

11

Slika 5.:PNP tranzistor u spoju sa zajednikom bazom

(za NPN polarizacije baterija okrenute)

P PN

E B

+ -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 jepropusno, a dioda kolektor-baza nepropusno.


16/144





16

12

Slika 6.: Unutranja kretanja nositelja naboja u normalnopolariziranom PNP tranzistoru u spoju sa zajednikom bazom (ZB)

P PN

E CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE

-INE

E E

Osnovni princip rada bipolarnog tranzistora

Napomena: struje sa negativnim

predznakom se odnose na strujekoje se sastoje od gibanjanegativnog naboja (elektrona),

dakle suprotno od konvencije dasmijer struje odgovara smijeru

gibanja pozitivnog naboja.Podsjetimo se ako se elektronigibaju u jednom smijeru, to znai

da se upljine gibaju u

suprotnom smijeru. Ako sestruja naznai u smijeru gibanja

elektrona, onda jekonvencionalni smijer strujesuprotan, zato se stavlja -.


17/144





17

13

IPE

struja + nositelja u E

INE

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

P PN

E CB

+ -

UEB

+ -U

CB

IE

IBIC

-IR I

CB0

IPCIPE

-INE

E E

Prvo ocite struje:

Spoj EB je PROPUSNO

polariziran kroz PN spojdifuzno prolaze VECINSKI

nositelji:

NEPENEPEE IIIII )(

1. Kirchh.zakon

Slika 7.:


18/144





18

14

ICB0 struja zasienja (zapornopolariziranog PN spoja CB)

IPC ovo nije tako oito; slijediobjanjenje

P PN

E CB

+ -

UEB

+ -U

CB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE

-INE

E E

Prvo oite struje:

Spoj CB je NEPROPUSNOpolariziran kroz PN spojprolaze driftno samo

MANJINSKI nositelji:

to sa ostalim strujama?Slika 8.:


19/144





19

15

P PN

E CB

+ -UEB + -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE

-INE

E E

KLJUNA IDEJA:

Fizika irina baze znatno manjaod difuzijske duljine upljina kojise injektiraju iz E.

Posljedica velika veina upljinaiz E, umjesto da se rekombinira u B,doe do zapornog CB spoja, tu ihzahvaa polje kontakta itransportira u kolektor (jer suupljine u B manjinski nositelji, asjetimo se, polje kontakta nesprijeava manjinske nositelje pri

prolazu, dapae). Dakle, emiterodailje (emitira) upljine, akolektor is skuplja (kolekcionira) odavde imena elektroda E i C.

Ove upljine sainjavaju IPC.PCCBC III 0

Slika 9.:


20/144





20

16

P P

E CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE

-INE

E ETek manji dio upljina iz E (oko

1%) uspije se rekombinirati sa

elektronima u B, sainjavajui IR,pa je:

0

0)(

CBRNE

CBRNEB

III

IIII

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

IPC je cca 100 puta vea od IR mala promjena IR izaziva cca 100 putaveu promjenu IPE, zbog toga i IPC, a samim tim IC(jer je ICBO

zanemarivo mala prema IPC , pa IPC IC ) ovo je poja

iva

ki efekttranzistora

Slika 10.:


21/144





21

17

P PN

E CB

+ -

UEB

+ -U

CB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE

-INE

E E

IRje kontrolirana preko IB (kojase, 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

ICBOje 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), ve

jednostavno izgubi difundiranjem u E

Stoga se BJTizrauje tako da INE bude to manja baza je zato znatno manje

oneiena od emiteraINEje znatno manje od IPE

Slika 11.:


22/144





22

18

Istosmjerni faktor strujnogpojaanja spoja ZB (za

smjerove struja kao na slici):

E

CPCCBCBPCC

E

PC

I

IIIIIII

I 00 ,

P PN

E CB

+ -UEB

+ -UCB

IEIB

IC

-IR ICB0

IPCIPE

-INE

E E

Izmjenini faktor strujnog pojaanja:

konstUE

C

CBi

i

'

0.95,0.995Spoj ZB nema strujnog pojaanja!

BITNO!

Slika 12.:


23/144





23

19

No, pogledajmo naponsko pojaanje

(omjer promjene ulaznog napona UEB

i

izlaznog napona UCB

).

P PN

E 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!

Slika 13.:

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)


24/144





24

20

Spoj ZE

UBE+ -

UCE

IB

IE

IC

E

C

B

PNP

Za nepropusnu polarizaciju spoja kolektor-

baza mora biti ispunjen uvjet

BECE UU

Faktor strujnog pojaanja

(istosmjerni) spoja ZE :B

C

I

I

E

C

I

I

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!

Slika 14.:


25/144


predmet : ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II

INTERNO



25

21

Spoj ZC

Emitersko sljedilo

- veliko strujno pojaanje

- nema naponskog pojaanja (promjena ulaznog napona izaziva

praktino istu promjenu izlaznog napona)

UBC UEC

IB

IE

IC

C

B

PNP

Slika 15.:


26/144



INTERNO



26

22

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

Podruja rada BJT-a - BITNO

1. Normalno aktivno podruje EB propusno, CB nepropusno

2. Inverzno aktivno podruje CB propusno, EB nepropusno3. Podruje zasienja EB propusno, CB propusno

4. Zaporno podruje EB nepropusno, CB nepropusno

pojaalo

sklopka Praktino se ne koristi


27/144



INTERNO



27

DETALJNO

BIPOLARNI SPOJNI TRANZISTOR (BJT)Naziv tranzistor nastao je

kao sloenica dvije engleske rijei:transfer i resistor

to u prevodu znai prenosni otpor.

Bipolarni tranzistormoemo shvatiti kao spojdvaju PN- spojeva (dioda),

tj. kao poluprovodnika ili poluvodika cjelina PNP ili NPN tipau kojoj se sredinji sloj

naziva baza B,a preostala dva slojasu

emiter Ei kolektor C.


28/144



INTERNO



28

Rad spojnih tranzistora zasniva se na:1. injekcijiminoritetnih nosilaca naelektisanja,

2. to obavlja propusno polarizirani emiter,

3. transportu tih nosilaca kroz bazu,4. sakupljanju (kolekciji) u nepropusno polariziranom kolektoru.

U nazivu bipolarni tranzistor

sadrano je :

o osnovno znaenje ovog elektronikog elementa,o njegovo aktivno djelovanje koje se temelji nao sudjelovanju manjinskih i veinskih nosioca naboja slobodnih

elektrona i upljina.

Bipolarni spojnitranzistor je :etveropolkoji nastaje spajanjem dva pn spoja u jedan kristal.


29/144



INTERNO



29

Postoje dvije izvedbe,odnosno dva tipa bipolarnih spojnih tranzistora.

o Tip bipolarnog spojnog tranzistora zavisio redoslijedu povezanostipnspojeva ipojavljuje se kao npni pnp tip prema slici 1. (a).

******Srednji sloj ini bazu (B),

jedan krajnji sloj kolektor (C),a drugi krajnji sloj emiter tranzistora (E).

Razlika izmeu kolektorai emiterajeu u veoj dopiranosti emiterskog materijala.

Sloj baze jenajee slabije dopiran i vrlo je uski

tako da je udaljenost izmeu dva istovrsno dopirana spoja vrlo mala.


30/144



INTERNO



30

Slika 16.:(a) npni pnptip tranzistora, (b) praktina izvedba i (c) elektrini simbol

o Praktina izvedba tranzistora poprima razliite naine.oDva naina praktine izvedbe prikazuje slika 1. (b).

oElektrine simbole prikazuje slika 1. (c).oEmiter se prepoznaje kao vodisa strelicom.

oStrelica pokazuje smjer dogovorenog toka emiterske struje u sluaju propusnopolariziranog spoja baza-emiter.


31/144


32/144



INTERNO



32

Slika 17:Smjerovi ili tok nosioca naboja(naelektrisanja) kod tranzistora npn tipa

U aktivnom reimu rada spoj baza-emiterje

propusno polariziran naponom uBE, slika 1.1

Spoj kolektor-baza je nepropusno polariziran naponom uCB.


33/144



INTERNO



33

Kao pozitivni smjerstrujeje izabran smjer ulaza struje u tranzistor prekobaze i kolektorai

izlaza struje iz tranzistora preko emitera.

Kod propusno polariziranog spoja baza-emitersmjer struje je posljedica kretanja veinskih

nosioca naelektrisanja.

Elektroni difundirajuu bazu iz emitera, a upljine se pomiu od baze prema emiteru.

Budui je emiter dopiran vie od baze, u emiterskoj struji prevladava smjer elektrona.

U podruju baze elektroni postaju manjinskim nosiocima, a budui je sloj baze vrlo tanak,djelovanjem nepropusne polarizacije spoja kolektor-baza elektroni se ubrzavaju prema kolektoru.

Meutim, dok elektroni prelaze sloj baze, neki se rekombinacijom sa upljinama,kao veinskim nositeljima, uklanjaju.

Broj rekombinacijomizgubljenih elektrona je najee 5% njihovog ukupnog broja.


34/144



INTERNO



34

Preko spoja kolektor-bazatee i

slaba struja koja je

obino posljedica pomaka manjinskih nosioca naelektrisanja na nepropusno polariziranompn spoju.

Ta struja se naziva reverznom strujom zasienjai oznaava se kao ICBO.

Njezina vrijednost je reda veliine nekoliko mikroampera.

Reverzna struja zasienjaje struja koja tee od kolektorau sluaju kada je emiter odspojen,

to je oznaeno indeksom O.


35/144



INTERNO



35

Karakteristike tranzistoraMoe se pokazati da su struje u tranzistoru odreene sljedeim zakonitostima :

pri emu je ISE reverzna struja zasienja spoja baza-emiter,parametaroznaava strujnopojaanje zajednike bazei predstavlja

dio struje iEkoji doprinosi ukupnoj kolektorskoj struji,ICBOje reverzna struja zasienja spoja kolektor-baza u sluaju odspojenog emitera,

a UTje toplinski naponi odreen je izrazom


36/144



INTERNO



36

Napon UTpredstavlja naponski ekvivalent temperature

ikod temperature od 300 K ima vrijednost 25.861x 10-3V.

Drugi vaan parametar tranzistorajestrujno pojaanje zajednikog emiteraizraeno kao

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 .


37/144



INTERNO



37

Slika 18:Statike karakteristikezamiljenog tranzistora u spoju zajednike baze(a)karakteristike emiterai (b)karakteristike kolektora


38/144



INTERNO



38

Prethodno navedeni modeli i jednaine vrijede u sluaju idealnog tranzistora.

Modeli i jednaineu sluaju realnog tranzistoraodstupaju od idealnih i najbolje se ogledaju ustatikim karakteristikama tranzistora.

Statike karakteristikezamiljenog npn tranzistoraprikazuje slika 1.2.

Emiterske karakteristike, slika 1.2 (a), prikazuju zavisnost emiterske struje iEo naponupropusne polarizacije emitera uBEza nekoliko vrijednosti napona uCB.

Vidljiva je zavisnost krivulje iE -uBEo naponu uCE.

Zavisnost je manja za naponeuCEvee od nekoliko volti.

KrivuljaiE -uBEpokazuje i temperaturnu zavisnost, pa tako kod silicijevog tranzistora, uz stalniiznos struje iE,napon uBEopada za 2 mVkod porasta temperature za 1 K.

Kolektorske karakteristike, slika1.2 (b), pokazuju zavisnost kolektorske struje iCprema naponukolektor-baza uCBuz razliite stalne iznose struje iE.


39/144



INTERNO



39

Kao to je i za oekivati iz gornjeg izraza, slijedi da je kolektorska struja iCu aktivnom podrujugotovo nezavisna o kolektorskom naponui 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 tranzistoraiCiEi krivulja ima mali nagib koji oznaavaslabu zavisnost o naponu uCB.

Za vee vrijednosti napona uCB,zavisnost se pojaava, te se u tehnikom podacima o tranzistorunavodi i napon proboja UCBOiznad kojega tranzistor ne moe raditi.

Kod toga napona iznos struje iCnaglo poraste.

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

Slijedi unaem predavanju opis rada tranzistora u reimu zapiranja i zasienja, prema slici (b).

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


40/144



INTERNO



40

Meutim, kada je uCB< 0, spoj kolektor-bazapostaje 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 negativnuvrijednost.

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= ICBO0 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 1.3(a) i (b)

se nazivajuulaznim, odnosno izlaznim karakteristikama.


41/144



INTERNO



41

Slika 19:Kolektorske karakteristikebipolarnog tranzistora npntipa

s naponom baza-emiterkao parametrom

O C


42/144



INTERNO



42

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,kao parametromizgled izlaznih karakteristika prikazuje slika 20.

Kada su krivulje priblino linearne do toke prekida, aktivno podruje odgovara naponu uCEizmeu 0.6 do 0.8 V.

Ako se linearne krivulje ekstrapoliraju u suprotnu stranu pozitivne osi uCE, sastaju se u toki -UAkoja se naziva Early-jevim naponom.

Tipina vrijednost napona UAse kod bipolarnih spojnih tranzistora kreeu rasponu od 50 do 100 V.

Early-jev efektdovodi do pozitivnog nagiba krivulja, a rezultat je irenja osiromaenog sloja spojakolektor-baza i smanjenja aktivne irine baze, pri porastu napona uBE.

Iz toga proizlazi i obrnuta proporcionalnost struje ISEu odnosu na irinu baze, to rezultiraporastom struje iC .

UNIVERZITET U BANJOJ LUCI


43/144



INTERNO



43

Poveanje struje iCse opisuje dodavanjem posebnog faktora struji ISE, te izraz za iCglasi

Ponaanje spoja zajednikog-emitera zamiljenog npnsilicijskog tranzistora prikazuje slika 1.4.

Ulazne karakteristike na slici 20(a) opisuju zavisnost iB -uBE.

Uoljiva je zavisnost o naponu kolektor-emiter, uCE.

Uzrok pojave napona proboja u spoju zajednikog emiterajesloeniji negoli kod spoja zajednike baze.

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

iotprilike iznosi polovnu vrijednosti napona proboja tranzistora u spoju zajednike baze UCBO.



44/144



INTERNO



44

Slika 20: Statike karakteristike zamiljenog tranzistora u spoju zajednikog emitera (a) ulazne karakteristikei(b) izlazne karakteristike



45/144



INTERNO



45

POLARIZACIJA BIPOLARNOG TRANZISTORA

Najee primjenjivanu metodupostavljanja prednapona bipolarnog tranzistoraprikazuje slika 21.

Postavljanje prednapona tranzistoraje

postupak odabira vrijednosti napona i struja, UCEQ,ICQiIBQ,

koje uz zadani napon napajanja UCCodreuju radnu taku Q.

Pri tome je potrebno voditi rauna ostabilnosti radne take, tj. zadravanju stalnog iznosa struje kolektoraICQ

nezavisno o promjeni parametara tranzistora kao to sui ICBQ.



46/144



INTERNO



46

Slika 21: Polarizacija bipolarnog tranzistora



47/144



INTERNO



47

Stabilnost radne take raste porastom otpora REismanjenjem iznosa otpora paralelne kombinacije R1i R2.

Otpor paralelne kombinacije R1i R2je manji to je struja I2vea u odnosu na struju IBQ.

Poveanje otpora R

Es ciljem stabilizacije radne ta

ke

ak dovodi do

smanjenja naizmjeninog pojaanja.

Kod postavljanja prednapona tranzistorskog pojaala s bipolarnim tranzistorom ne postoji optipostupak koji bi zadovoljio sve sluajeve.

Poslije poetno oblikovanog sklopa,

izvode se prilagoenja vezana uz zahtjeve koje postavlja izmjenino pojaanje.esto se pri poetnom oblikovanju prednaponskog kruga tranzistora, radi pravilnog hoda

izmjeninog napona u kolektorskom krugu, za pad napona na tranzistoru uzima polovina iznosanapona napajanja UCC, a za pad napona na otporniku RCiznos 3UCC/8.

U tom sluaju dozvoljeni pad napona na REiznosi UCC/8, a vrijednost otpora REje priblino

jednaka RC/3.Za zadane vrijednosti napona i struja UCC, ICQ, i

IBQ= ICQ/odabiru se otpori



48/144

PRIRODNO MATEMATIKI FAKULTET


INTERNO



48

Kod izbora otpora R1i R2treba uoiti da je UBjednako UE+ UBE,to za silicij priblino iznosi (UCC/8) + 0.7 V.

Ako se odabere I2= 5IBQ, onda su otpori



49/144



INTERNO



49

SPOJEVI TRANZISTORA

Pojaanje malih signala i upravljanje veim strujama malim signalima glavna je zadaaelektronikih sklopova.

Tranzistor u takvoj aplikaciji postao je najprikladniji aktivni element:malen, pouzdan i

ne iziskuje nikakav poseban napon grijanja,

kao to je to potrebno kod elektronskih cijevi.Ovisno o vrsti aplikacije najea su tri osnovna naina spajanja tranzistora,

a svaki od tih spojeva ima svoje odreene karakteristike.



50/144



INTERNO



50

OSNOVNI SPOJEVI TRANZISTORA :

1. Spoj sazajednikom bazom,2. Spoj sazajednikim emiterom,

3. Spoj sazajednikim kolektorom.

Za sva tri osnovna spoja bipolarnog tranzistora vano je daPN-spoj emiter-baza bude propusno polariziran,

a PN-spoj kolektor-baza zaporno (nepropusno) polariziran,

tako da upravljana izlazna strujauvijek tee izmeu emitera i kolektora.Ovako polarizirane PN-spojevesmatramo normalnom polarizacijom tranzistora.

Analiza osnovnih spojeva tranzistora provedena je na PNP tipu tranzistora,a kod NPN tranzistora

normalna se polarizacija spojeva emiter-baza i kolektor-baza postie

suprotnim polaritetom napona napajanja, emu odgovaraju i suprotni smjerovi struja.Pozitivni smjerovi struja oznaeni su prema tranzistoru,

a polariteti prednapona oznaeni su u odnosu na zajedniku elektrodu (masu).



51/144



INTERNO



51

Strelica na elektrodi emitera kod simbolikog prikaza PNPi NPN trazistora

oznaava konvencionalan smjer struje emitera.

Kod PNP tranzistora upljine prelaze iz emitera u bazu,te je konvencionalan smjer struje iz vanjskog kruga u tranzistor (pozitivan).

Kod NPN tranzistora isti smjer gibanja imaju elektroni, tj. konvencionalan smjer struje je izemitera u vanjski krug (negativan).

Radi jednostavnijeg kasnijeg snaljenja navedimo osnovne jednaine struja tranzistorai njene komponente.

IE+ IB+ IC= 0

IE = IPE+ INE

IC= -IPC + ICBO

IB = -INE- IR- ICBO

IR= IPE - IPC



52/144



INTERNO



52

SPOJ BIPOLARNOG TRANZISTORA SA ZAJEDNIKOM BAZOM

U ulaznom strujnom krugu nalazi se emiter kao ulazna elektroda, dok se pojaani signal uzima skolektora tranzistora (izlazna elektroda).

Baza je zajednika elektroda ulaznom i izlaznom krugu,te se ovaj spoj naziva spoj sa zajednikom bazom.

Slika 22.: spoj sa zajednikom bazom.

UEE+

RE

UEB-IB

IE -IC

-UCBRC

UCC

+



53/144



INTERNO



53

Na slici 22.su naznaeni dogovoreni smjerovi struja, izvori napajanja,koji omoguavaju

normalnu polarizaciju emiterskog i kolektorskog PN-spoja,te prednaponi za PNP tranzistor.

Vano je naglasiti da i za ovakav spoj mora biti zadovoljen uslov:UCC> UEE

Struja ICi napon UCBpripadaju izlaznom krugu, a struja IEi napon UEBulaznom krugutranzistora.

Pojaanje tranzistora biti e to vee to vei dio emiterskestruje stigne do kolektora.

U tu svahu potrebno je da:

1. elektronska komponenta struje emitera INEbude to manje,jer se INEzatvara u krugu emiter-baza,

2. rekombinacija u bazibude to manja.

Uvest emo pojam efikasnost emiterakoji je to vei to je vei odnos struja IPE/INE.



54/144



INTERNO



54

o Faktor injekcije ili efikasnost emiteradata je relacijom:

= IPE / (IPE + INE) = IPE / IE

o Efikasnost emiterabiti e bolja, tj. blia jedinici,to je omjer specifinih vodljivosti E/ Bvei,

a transport upljina kroz bazu povoljniji to je baza ua.

o Mjera za kvalitetu transporta je transportni faktor *,koji je definiran kao pozitivna bezdimenzionalna veliina:

* = IPC / IPE= 1 (IR/ IPE)



55/144



INTERNO



55

Na osnovu definicija za efikasnost emitera i transportni faktormogue je struje baze i kolektora izraziti u slijedeem obliku:

IC= -* IE+ ICBO

IB= -(1- *) IE- ICBO

Dakle, glavna komponenta struje kolektora izazvana je emiterskom strujom i proporcionalaproduktu efikasnosti emitera i transportnog faktora, pa se taj produkt naziva faktor strujnog

pojaanja tranzistora u spoju zajednike baze

=*

Sada struju kolektora i struju bazemoemo napisati pisati kao:

IC= -IE+ ICBO

IB= -(1- )I

E- I

CBO, gdje je

= - (IC ICBO) / IE= IPC / IE



56/144



INTERNO



56

o Kako je u spoju sa zajednikom bazom emiter ulazna elektroda, a kolektor izlazna elektroda,je faktor proporcionalnosti koji povezuje njihove struje.

o S obzirom na to da su i * i < 1, znai da je i uvijek manji od jedinice.

o Granice u kojima se on obino kree su od 0,95 do 0,995.

oDakle, tranzistor u spoju zajednike baze stvarno ne poveava struju, ali raspolae saznatnom mogunou naponskog pojaanja ( od 100 do 5000),

jer redovito vrijedi UCB >> UEB.

o To je omogueno velikom razlikom izmeu ulazne i izlazne otpornosti ovog spoja.

oUlazna otpornost je mala i iznosi od 10 do 50 , dok otpornost u kolektorskom krugumoe biti mnogo vea i obino iznosi od 100-1M.

oFaktor strujnog pojaanja je do sada bio definiran pomou istosmjernih struja. Ukolikose emiterska struja promijeni za iznos iE, onda e se i kolektorska struja promijeniti za iC



57/144


INTERNO



57

Struja ICBO

ostaje konstantna,

jer ona ne ovisi o emiterskoj struji.

iC = -iE ,

= - (iC/ iE)Ucb.

gdje je Ucb parametar .



58/144


INTERNO



58

Statike karakteristike bipolarnog tranzistoraza

spoj zajednike baze

Za praktinu primjenu tranzistoravano je poznavati

odnose izmeu pojedinih struja i napona tranzistora,tj. ovisnost izmeu pojedinih veliina koje karakteriziraju ulaz i izlaz tranzistora.

Ti odnosi sadrani su u statikim karakteristikama koje se snimaju s istosmjernim naponima,a predstavljaju srednju vrijednost karakteristika velikog broja tranzistora odreenog tipa.

U svakom osnovnom spoju tranzistora postoje po dva napona i dvije strujekoje su u meusobnoj ovisnosti,

pa je mogue postaviti 12 familija statikih karakteristika za svaki spoj.

Odreenu veu vanost predstavljaju samo etiri familije karakteristika.



59/144


INTERNO



59

STATIKE KARAKTERISTIKE BIPOLARNOGTRANZISTORA:

1. Ulazne karakteristike,2. Izlazne karakteristike,

3. Prenosne karakteristike,4. Povratne karakteristike.

1. Ulazne karakteristike:

IE = f (UEB); pri emu je UCB parametar

Ulazne karakteristike daju zavisnost ulazne struje IEo ulaznom naponu UEBuz izlazni napon UCB, kao parametar.



60/144




60

2.Izlazne karakteristike:

IC = f (UCB); pri emu je IE parametarIzlazne karakteristike daju zavisnost izlazne struje ICo izlaznom naponu UCB

uz ulaznu struju IEkao parametar.

Mali porast struje ICkoji nastaje s poveanjem napona UCB

moe se objasniti tako to porastom napona na nepropusno polariziranom spoju kolektor-bazapoveava se irina podruja potencijalne barijere, a smanjuje se efektivna irina baze.

Upravo smanjenjem efektivne irine baze umanjuje se i vjerojatnost ponitavanja manjinskihnosilaca u bazi,

pa prema tome i rekombinacija sastavnica struje baze,to izravno utjee na poveanje faktora strujnog pojaanja.



61/144




61

3.Prenosne karakteristike:

IC= f (IE); pri emu je UCB parametar

Penosne karakteristike daju meusobnu zavisnost izlazne struje IC o ulaznoj struji IE uz izlazninapon UCBkao parametar.

Iz ovih se karakteristika odreuje faktor srujnog pojaanja tranzistora.

4.Povratne karakteristike:UEB= f (UCB) ; pri emu je IE parametar

Povratne karakteristike daju meusobni odnos ulaznog napona UEB o izlaznom naponu UCB uzulaznu struju kao parametar.

Iz ovih se karakteristika odreuje faktor naponskog povratnog djelovanja.



62/144




62

SPOJ BIPLOARNOG TRANZISTORA SA ZAJEDNIKIM EMITEROM

Slika 23.: spoj sa zajednikim emiterom

U ulaznom strujnom krugu nalazi se baza kao ulazna elektroda,a kolektor je izlazna elektroda.

Emiter je zajednika elektroda ulaznom i izlaznom krugu,te se ovaj spoj naziva spoj sa zajednikim emiterom.

-IB

-IC

IE

RB

UBBUCC

RC

-UBE-UCE

++


ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II


63/144




63

Na slici su naznaeni dogovoreni smjerovi struja,

izvori napajanja,koji omoguuju normalnu polarizaciju emiterskog

i kolektorskog PN-spoja,te pednaponi za PNP tranzistor.

Struja ICi napon UCEpripadaju izlaznom krugu,a struja IBi napon UBEulaznom krugu tranzistora.

Vano je naglasiti da mora biti zadovoljen uslov:

UCC> UBB

Ovaj spoj tranzistora najee se primjenjuje u praksi,jer je u tom spoju snaga potrebna za upravljanje tranzistorom najmanja,

a poveanje signala najvee.


ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II


64/144




64

U spoju zajednikog emitera vrijedi da je:

UCE = UBE+ UCB ,

Dakle,za nepropusnu polarizaciju spoja kolektor-baza mora takoer biti ispunjen uvjet UCE > UBE.

Poveanjem napona UCEpoveava se i apsolutni iznos napona UCB,

a smanjuje se efektivna irina baze.

Da bi pritom struja baze zadrala stalnu vrijednost,potrebno je poveati gustou manjinskih nosioca (slobodnih elektrona)

na rubu

barijere emiterskog spojita,odnosno poveati napon propusne polarizacije UBEspoja emiter-baza.


d t ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II


65/144




65

Ovisnost kolektorske struje o struji baze glasi:IC= (/1-) IB + ICBO /(1 - )

Kolektorska struja sastoji se od dva lana.

Prvi lan je proporcionalan struji baze,s faktorom proporcionalnosti:

= / (1-)

Veliina je faktor strujnog pojaanja tranzistora u spoju zajednikog emitera.

Zbog toga to je vrlo blizu jedinici, faktor strujnog pojaanja moe poprimiti znatnevrijednosti, tipino od 20 do 200.

Od tuda je vidljivo znatno pojaanje struje u spoju sa zajednikim emiterom.

Obzirom na to da redovito vrijedi UCE >> UBE, tranzistor u ovakvom spoju raspolae i saznatnim naponskim pojaanjem.




66/144




66

Od tuda proizlazi da je znatno, takoer, i pojaanje snage to predstavlja razlog zbog kojegse spoj sa zajednikom bazom najee koristi.

Drugi lan u izrazu za kolektorsku struju je:ICEO= ICBO / (1-) = ICBO (1+)

Struja ICEOpredstavlja struju zasienja kolektorakada je struja baze jednaka nuli.

Otuda vrijedi da jeIC= -IE= ICBO (1+) = ICEO ; uz IB= 0.

Vidi se da je struja ICEOza faktor (1+) puta vea od sruje ICBO,

tj. one reverzne struje zasienja kolektora kakd je IE= 0.Iz prethodnih jednaina faktor strujnog pojaanja moemo izraziti kao :

= (IC ICBO)/ (IB+ ICBO)

Na jednak nain kao i kod spoja zajednike bazemogue je faktor strujnog pojaanja

definirati pomou promjena struja kolektora i baze relacijom := ( iC/ iB )Uce




67/144




67

Statike karakteristikebipolarnog tranzistora

za spoj zajednikog emitera

Za tranzistor u spoju sa zajednikim emiteromdaju se takoeulazne,

izlazne,prenosne

i

povratne karakteristike,

koje su definiu na analogan nain kaoi




68/144




68

u prethodnom spoju.

Postoji velika slinost izmeu pojedinih karakteristikaza spoj zajednikog emitera

ispoj zajednike baze,

samo se meusobno razlikuju pojedine oznake napona i struje.

Ulazne karakteristike:IB= f (UBE) ; UCE kao parametar

Izlazne karakteristike:IC= f (UCE) ; IB kao parametar

Prenosne karakteristike:IC= f (IB) ; UCE kao parametar

Povratne karakteristike:UBE= f (UCE) ; IB kao parametar




69/144




69

SPOJ TRANZISTORA SA ZAJEDNIKIM KOLEKTOROM

Slika 24.: spoj sa zajednikim kolektorom

U ulaznom strujnom krugu nalazi se baza kao ulazna elektroda,a emiterj je izlazna elektroda.

Kolektorje zajednika elektroda ulaznom i izlaznom krugu,

zbog ega se ovaj spon naziva spoj sa zajednikim kolektorom ili emitersko sljedilo.

-IB

IE

-IC

RB

UBB

UEE

RE

UBC

UEC

++




70/144

p

INTERNO



70

Na slici su oznaeni dogovoreni smjerovi struja,

izvori napajanja,koji omoguuju normalnu polarizaciju emiterskog i

kolektorskog PN-spoja,te prednaponi za PNP tranzistor.

Struja IE i napon UECpripadaju izlaznom krugu,a struja IB i napon UBCulaznom krugu tranzistora.

Naravno i ovdje

mora biti zadovoljen uslov :UEE > UBB

Spoj sa zajednikim kolektoromKarakterie

velika ulaznai mala izlazna otpornost.




71/144

INTERNO



71

Koristei ove osobinetranzistor se u ovom spoju esto koristi kao transformator impedanse za prilagoavanje

visokoomskih izvora mjernih naponakoji se smiju samo malo opteretiti,

na instrumente s niskoomskim ulaznim otporima.

Otpor troila ukljuen je u emiterski vod ikroz njega tee sruja baze,

iz upravljakog kruga,i

radna struja emitera.

Zbog toga se na njemu gubi dio upravljakog napona.

Cjelokupni upravljaki napon spojen je na djelilo napona,koje se sastoji od diferencijalnog ulaznog otpora baza emiter i

otpora troila.

Poraste li upravljaki napon, povea se i struja troila.




72/144

INTERNO



72

Uz to poraste i pad napona na troilu,

to smanjuje aktivni upravljaki napon izmeu baze i emitera.

Zbog ovakvog odnosa otpornosti u ulaznom i izlaznom krugu,te zbog upravljakog napona koji mora obavezno biti vei od izlaznog napona,

koji postoji samo na troilu,u spoju sa zajednikim kolektorom nema pojaanja napona,vesamo pojaanje struje.

Velika izlazna struja,

kod malog izlaznog napona,znai ujedno imali izlazni otpor.

Pri porastu ulaznog napona raste i pad naponana otporu troila,

a time i izlazni napon.

Ulazni i izlazni napon su dakle u fazi.




73/144

INTERNO



73

Statike karakteristike bipolarnog tranzistoraza spoj zajednikog kolektora

Ulazne karakteristike:IB = f (UBC) ; UECje parametar

Izlazne karakteristike:IE= f (UEC) ; IB je parametar

Prenosne karakteristike:IE= f (IB) ; UECje parametar

Povratne karakteristike:UBC = f (UEC) ; IB je parametar




74/144

INTERNO



74

UNIPOLARNITRANZISTORI

SA

EFEKTOM POLJA




75/144

INTERNO



75

Tranzistor sa efektom polja

FETTRANZISTORI

Spojni tranzistor s efektom polja (FET - Field Effect Transistor)

jenaponski upravljani strujni elektroniki element s tri stezaljke.

Nain rada tranzistora s efektom poljase razlikuje od naina rada bipolarnog tranzistora.




76/144

INTERNO



76

Osnovne razlike,

koje ujedno predstavljaju prednosti tranzistora s efektom polja,u odnosu na bipolarne tranzistore su vei ulazni otpor,

obino 107 ,

manji iznos uma,laka proizvodnjai

kod nekih izvedbi tranzistora,sposobnost rada sa strujama

i

snagama veeg iznosa.

Slika 25.:N-kanalni tranzistor sa efektom polja velike snage

Neke nedostatke FET tranzistora predstavljajusporost kada rade kao sklopke,

teui propusni pojas kada se koriste u sklopu pojaala.




77/144

INTERNO



77

Tranzistor sa efektom polja(FET)

jetranzistorkoji koristi elektrino polje

kako bi kontrolisao oblik i time elektrinu provodljivostkanala tranzistora

jednog tipa nosioca naelektrisanjau poluprovodnikommaterijalu.

Fet,ovi su unipolarni tranzistorijer oni podrazumevaju funkcionisanje preko jednog tipa nosioca naelektrisanja.

Koncept FET-a

jepretea bipolarnim tranzistorima,iako je praktino implementiran nakon bipolarnih tranzistora

zbogogranienja poluprovodnikih materijala

irelativne jednostavnosti proizvodnje bipolarnih tranzistora u odnosu na FET.




78/144

INTERNO



78

Tranzistor sa efektom poljaje

prvo patentiran od strane Julije Edgar Lilinfilda1926. i Oskar Hajla1934. godine,

alipraktini poluprovodniki ureaji (JFET) su proizvedeni dosta kasnije

nakon to je efekat tranzistoraposmatran i opisan od strane tima Vilijama kolijajau Belovim laboratorijama1947. godine.

Mosfet,koji je uveliko istisnuo JFET

ikoji je imao mnogo znaajniji efekat na razvoj elektronike ,

je izmiljen od strane Davon Kahngai Martin Atale1960. godine.




79/144

INTERNO



79

FETtranzistori

mogu da buduure

aji za prenos ve

ine naelektrisanja,

kod kojih se struja prenosi mahom preko veine nocioca naelektrisanja,ili ureaji za prenos malo nosioca naelektrisanja,

kod kojih je struja proizvod protoka nosioca malo naelektrisanja.

Takav ureaj se sastojiod aktivnog kanala kroz koji nosioci naelektrisanja,

elektroni ili rupe,teku od sorsa ka drejnu.

Sors i drejn provodnici su povezani na poluprovodnik prekoomskih kontakta.Provodljivost kanala je funkcija primenjenog potencijala izmeu gejt i sors terminala.




80/144



80

Tri kontakta FETa su: Sors (S), kroz koga nosioci naelektrisanja ulaze u kanal.

Po konvenciji, struja koja ulazi u S se oznaava sa IS.

Drejn (D), kroz koga nosioci naelektrisanja naputaju kanal.Po konvenciji, struja koja naputa kanal kroz D se oznaava sa ID. Napon Drejn-Sors je VDS.

Gejt (G), kontakt koji modulie provodljivost kanala.Primenom napona na G, moe da se kontrolie ID.

Slika 26.:Presjek N-kanalnog mosfeta




81/144



81

SviFET-oviimaju

sors, drejni gejtte

minale koji grubo odgovaraju emiteru , kolektoru i bazi

kod bipolarnog tranzistora.

Imena kontakata kod FET tranzistora se odnose na njihovu funkciju.

Veina FETova ima etvrti kontakt koji se zove tjelo, baza ili supstrat.Ovaj etvrti kontaktslui za balansiranje tranzistora u radu;

rijetkost je napraviti ne-trivijalno korienje etvrtog kontaktau dizajniranju elektrinih kola,

ali njegovo prisustvo je

znaajno kada se razmatra fiziki rasporedintegrisanog elektrinog kola.




82/144



82

Slika 27.:

Veliina gejta,jesteduine Lna slici,i to je razmak izmeu sorsai drejna.

irinaje proirenje tranzistora, u smjeru normalnom na presjek sa slike.Tipino je irina mnogo vea od duine gejta.




83/144



83

Duina gejtaod 1 m ograniava gornju frekvenciju na oko 5 GHz,a 0.2 m na oko 30 GHz.

Gejt (kapija)kontakt moe da se razmatra kao kontrola zatvaranja iotvaranja fizike kapije.

Ova kapija dozvoljava prolaz elektronima ili zaustavlja njihov prolaz stvarajui iliuklanjajui prolaz izmeu sorsa i drejna.

Elektroni teku od sors kontakta do drejna ukoliko ako na gejt utie napon.Telo FETa jednostavno oznaava glavnu celinu poluprovodnika na

kome se nalaze: gejt, sors i drejn.

Uobiajeno se terminal tela povezuje na najvei ili najmanji napon u kolu,

u zavisnosti od vrste FETa.




84/144



84

Kontakt tjela isorsasu

ponekad zajedno povezani

jer jeuobiajeno sorspovezan na najveiili

najmanji napon u kolu,iako

postoji nekoliko naina korienja FET-ovakoji ne koriste takvu konfiguraciju,

kao to se predajnike kapije ili kaskodna kola.




85/144



85

Princip rada FET tranzistora

Slika 28.: I V karakteristika i izlazni grafik JFET N-kanalnog tranzistora.




86/144



86

FET kontrolie protok elektronaili elektronskih rupaod sorsa do drejna utiuina veliinu i oblik provodnog kanala koga stvara i na koga utie napon (ili

manjak napona) koji se nalazi izmeu kontakata gejta i sorsa.

( Radi jednostavnosti, ovo razmatranje predpostavlja da su telo i sors povezani.)Ovaj provodni kanal je potok kroz koga elektroni teku od sorsa do drejna.

U N-kanalnom ureaju tipa mod troenja negativan gejt-sors napon izaziva

oblast troenjakako bi proirio i obuhvatio kanal sa strana, suavajui ga.

Ako se oblast troenja proiri da potpuno obuhvati kanal, otpor kanala od sorsado drejna postaje veliki, i FET se iskljuuje kao prekida.




87/144



87

Ove se zove utinuto gaenje i napon na kome se to deava se zove naponutinutog gaenja.

Takoe, pozitivan gejt-sors napon poveava veliinu kanala i omoguavaelektronima da lake prolaze.

UN-kanalnom ureaju tipa mod poveanja, provodni kanal ne postojiprirodno unutar tranzistora,

i pozitivni gejt-sors napon je neophodan kako bi se stvorio kanal.

Pozitivan napon privlai slobodne etajue elektrone u telu prema gejtu,

formirajui provodni kanal.

Ali prvo,dovoljno elektrona mora da bude privueno blizu gejta kako bi se izjednailo sadopiranim jonima dodatih u tjelo FET-a iovo formira oblast bez pokretnihprenosioca naelektrisanja koji se nazivaoblast potronje, i napon na kome seovo deava se naziva kao prag naponaFETa.




88/144



88

Dalje poveavanje gejt-sors napona e privui jo vie elektrona prema gejtukoji mogu da formiraju provodni kanal

od sorsaka drejnuiovaj proces se naziva inverzija.

U P-kanalnom ureaju tipa mod troenja,

pozitivan napon od gejta prema sorsustvara sloj troenja terajui pozitivno naelektrisane rupe daljeod gejt-izolator/poluprovodnik interfejsa,

ostavljajui otvorenu oblastbez nosioca nalektrisanja negaativno naelektrisanim jonima.

Za ureaje u modu troenja kao i za ureaje u modu poveanja, pri naponimadrejn-sors koji su mnogo manji nego gejt-sors, promena napona gejta epromjeniti otpornost kanala,i

struja drejna e biti proporcionalna drejn naponu (koji ima za referencu napon sorsa).U ovom modu FET radi kao promenljivi otpornik i kae se da FET radi u linearnom

reimu ili omskom reimu rada.




89/144



89

Ukoliko se povea drejn-sors napon, ovo stvara znaajnu asimetrinu promenuu obliku kanala zbog nagiba potencijala od sorsa ka drejnu.

Oblik inverznog regiona postaje utinut blizu drejn kraja kanala.

Ako se drejn-sors napon jo povea, taka utinutog dela kanala se pomera oddrejna ka sorsu.

Za FET se tada kae da se nalazi u reimu saturacije;although some authors refer to it as active mode, for a better analogy with

bipolar transistor operating regions.



R i t ij


90/144



90

Reim saturacije,ili

reim izmeu omskog ponaanja i saturacije,se koristi kada je potrebno pojaanje.

Dio izmeu ova dva reima

se ponekad smatradjelom omskog ili linearnog reima,iako struja drejna nije priblino jednaka naponu drejna.

Iako provodni kanalkoji se stvara gejt-sors naponom

ne povezuje vie sors sa drejnom u modu saturacije,nosioci naelektrisanjanisu zaustavljeni i mogu da teku.

Razmatrajui ponovo N-kanalni ureaj tipa mod poveanja,oblast troenjapostoji u tjelu P-tipa,

okruujui provodni kanal

idrejn sors oblasti.



El kt i k ji i j j k l


91/144



91

Elektroni koji sainjavaju kanalsu

slobodni da izau izvan kanalakroz oblast troenja

ukoliko su privueni ka drejnu naponom drejn-sors.

Oblast troenjaje

slobodna od nosioca naelektrisanjai

ima otpor slian silicijumu.

Bilo koje poveavanje drejn-sors naponae

poveati razmak od drejna do take utinua,

poveavajui otpor oblasti troenjaproporcionalno primenjenom drejn-sors naponu.



Ova proporcionalna promena izaziva drejn sors struju


92/144



92

Ova proporcionalna promena izaziva drejn-sors strujuda ostane relativno nepromenjena,

nezavisno od promena drejn-sors napona,poprilino suprotno omskom ponaanju

u

linearnom reimu rada.

Zato u reimu saturacije,FET se ponaa kaoizvor konstantne strujeumjesto kao otpornik,

i

moe da se koristi kao pojaavanapona.U ovom sluaju ,

napon gejt-sors odreuje nivo konstantne struje kroz kanal.



S t FET t i t


93/144



93

Sastav FET tranzistora

FETmoe da se napravi od razliitih vrsta poluprovodnika,

meu kojima je najei silicijum.Veina FET-ovase pravi standardnim tehnikama proizvodnje poluprovodnika,

koristei vejfer monokristalnog silicijumakao aktivnu oblast ili kanal.

Meu neobinim materijalima tjela FET-a suamorfni silicijum, polikristalni silicijum

ili drugi amorfni poluprovodnici u tranzistorima tankog filmaili organskim tranzistorima sa efektom polja (OFET)

koji su bazirani na organskim poluprovodnicima;esto su izolatori gejta OFET tranzistora

ielektrode napravljeni takoe od organskih materijala




94/144



94

Takvi FET-ovi seproizvode koristei razliite materijale

kao to su silicijum karbid (SiC) ,galijum arsenid (GaAs),

galijum nitrid (GaN),i indijum galijum arsenid (InGaAs).

Juna 2011.godine,IBM je objavio da je uspeno iskoristio grafen bazirani FET u integrisanom kolu.These transistors are capable of about 2.23 GHz cutoff frequency, much higher than standard silicon FETs.



V t FET t i t


95/144



95

Vrste FET tranzistora

FET tranzistoriu modu troenja pod uobiajenim naponima su :

oJFET,

opoli-silicijumski MOSFET,

oMOSFET sa dva gejta,

oMOSFET sa metal gejtom,

o

MESFET.

Troenje Elektroni Rupe Metal



Izolator FET- a jeste:


96/144



96

Izolator FET- a jeste:oVrh: sors,

odno: drejn,

olijevo: gejt,

odesno: tjelo.

Kanal FETa je dopirankako bi nastao N ili P tip poluprovodnika.Nisu prikazani naponi koji dovode do stvaranja kanala.

Drejn i sors mogu biti dopirani suprotnim tipom prema kanalu,u sluaju FETova u modu troenja,ili

dopirani slinim tipom prema kanalu u FETovima tipa mod poveanja.

FET tranzistori se takoe razlikuju po tipu izolacije izmeu kanalai gejta.



U tipove tranzistora FET spadaju :


97/144



97

U tipove tranzistora FET spadaju :JFET(spojni tranzistor sa efektom polja)koristi obrnuto polarisan p-n spoj kako bi odvojio gejt od tela.

MOSFET(metal-oksid-poluprovodniki tranzistor sa efektom polja)koristi izolator(najee SiO2) izmeu gejta i tela.

DGMOSFET(MOSFET sa dva gejta)je FET sa dva izolovana gejta.

DEPFETje FETkoji se pravi u potpuno ispranjenom supstratui ponaa se kao senzor,

pojaaloi memorija u isto vreme.

Moe da se koristi kao senzor slike (fotona).

FREDFET(brzo-obrtni ili brzo-povratni epitaksijalno diodni FET)je specijalna vrsta FETa koja omoguava veoma brzo iskljuivanje diode tela.




98/144



98

HIGFET(heterostrukturni izolovani gejt tranzistor sa efektom polja)se danas koristi najee u istraivanjima.

MODFET(modulisano-dopirani tranzistor sa efektom polja)koristi strukturu kvantni bunarkoja se pravi postepenim dopiranjem aktivne oblasti.

TFET(tranzistor sa tunelskim efektom polja)je baziran na tunelovanju od jednog do drugog opsega frekvencija.

IGBT(bipolarni tranzistor sa izolovanim-gejtom)je ureaj za kontrolu snage. Ima strukturu slinu MOSFETu sa glavnim provodnim kanalomslinim bipolanrim tranzistorima.

esto se koriste za drejn-sors napone 2003000 V.Snani MOSFETisu

i dalje ureaji koji se preporuuju za drejn-sors napone od 1 do 200V.



HEMT(tranzistor sa velikim kretanjem elektrona),


99/144



99

( j ),nazvan HFET(heterostrukturno FET),

moe da se napravi korienjem poluporovodnikih materijala kao to jeAlGaAs.Potpuno ispranjen materijal pravi izolaciju izmeu gejta i tela.

ISFET(tranzistor sa efektom polja osetljiv na jone)moe da se koristi pri merenju koncentracije jona u rastvoru;kada se koncentracija jona menja(kao u H+, pogledati pH elektroda),

struja kroz tranzistor se takoe menja.

MESFET(metal-poluprovodniki tranzistor sa efektom polja)menja p-n spojJFETa sa otkispojem;

i koristi se u GaAsi drugim III-V poluprovodnikim materijalima.

NOMFETjenanoestini organsko memorijski tranzistor sa efektom polja.



GNRFET(grafenski nanotrani tranzistor sa efektom polja)


100/144



100

(g p j )koristi grafenska nanotrakakao svoj kanal.

VeSFET(tranzistor sa efektom polja sa vertikalnim procepom)je FET bez spoja kvadratnog oblika sa uzanim procepom koji

povezuje sors i drejn na suprotnim krajevima.Dva gejta se nalaze u druga dva oka i kontroliu struju kroz procep.

CNTFET(karbon nanocevni tranzistor sa efektom polja).OFET(organski tranzistor sa efektom polja)

koristi organski poluprovodnik za svoj kanal.

DNKFET(DNK tranzistor sa efektom polja)je specijalan FET koji se ponaa kao biosenzor,

koristei gejt koji je napravljen od DNK molekulakako bi detektovao odgovarajui DNK niz.




101/144



101

Tranzistor sa efektom polja

MOSFETTRANZISTORI

Struktura MOSFETA:- MOSFETznai (Metal Oksid Poluvodis Efektom Polja),

ili(engl. Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Tranzistor).

Osnovna struktura MOSFETA prikazana je na slijedeoj slici (sl.29.).




102/144



102

Slika 29: Slikoviti prikaz osnovne strukture MOSFET-a



Osnovna struktura MOSFETA :::


103/144



103

L- Duina kanala(Tipian iznos kod tranzistora VLS i ULS sklopovima iznosi ispod 0.1m, kod sklopovanieg stupnja integracije on je neto vei nekoliko m ).

W- irina kanala

(ona je osjetno vea od duine kanala).OPIS :::

- Podloga je monokristalna ploica P-tipa debljine reda od 0.1 do 0.3mm. U podlogu sedifundiraju dva N+-podruja podloge dubine od nekoliko stotina nm. Ta dva podruja zovu seUVOD (engl. SOURCE), i ODVOD (engl. DRAIN). Podruje izmeu uvoda i odvoda pokriveno je

slojem silicij-dioksida debljine reda 0.1m. Iznad oksidnog sloja nanosi se metalna elektrodapoznata pod nazivom UPRAVLJAKA ili KONTROLNA elektroda (engl. GATE). Postupokommetalizacije nanosi se metalni sloj iznad N+-podruja uvoda i odvoda, ime se formiraju kontaktiuvoda i odvoda.

-U radnim uvjetima formira se INVERZIJSKI SLOJu podruju ispod upravljake elektrodena povrini Si, izmeu uvoda i odvoda. Inverzijski sloj bogat je slobodnim elektronima koji ine N-

vodljivi kanal izmeu uvoda i odvoda a to omoguuje nesmetano gibanje slobodnih elektrona izuvoda u kanal, kroz kanal i iz kanala u odvod, ime se osigurava protjecanje struje odvodu ododvoda kroz kanal prema uvodu.



- Dimenzije kanala odreene su razmakom N+-podruja uvoda i odvoda i irinom


104/144



104

Dimenzije kanala odreene su razmakom N podruja uvoda i odvoda i irinomupravljake elektrode.

- Element na (sl.1) vodi s kanalom N-tipa formiranim na P-podlozi i zove se N-kanalniMOSFET.

Ako kao podloga slui poluvodiN-tipa tada su uvod i odvod P+-podruja.

- Da bi tekla struja odvoda na povrini ispod upravljake elektrode izmeu P+-uvoda iP+-odvoda, mora postojati P-kanal bogat upljinama, dakle P-inverzijski sloj.

o

Takav tip MOSFETA zove se P-kanalni MOSFET.- Kod oba tipa MOSFETA uvjet za protjecanje struje kroz tranzistor je inverzija povrine

silicija izmeu uvoda i odvoda,odnosno postojanje inverzijskog sloja u kojem manjinski nosioci postaju brojniji od

veinskih.



Princip rada:


105/144



105

Princip rada:

- U analizi principa rada polazimo od pretpostavki koje olakavaju analizu i u fizikalno i umatematikom smislu.

- U proraunima nailazimo na aproksimacije, koje ne ugroavaju bitnije rad MOSFETtranzistora.

- Polazei od te predpostavke analizirati emo rad N-kanalnog MOSFETA.- Pri tome emo pretpostaviti da je tranzistor spojen prema (sl.2).

- Podloga tranzistora i uvod su pri tome uzemljeni te su na nultom potencijalu.- Da bi tranzistor uope radio neophodno je da se na povrini poluvodia ispod upravljakeelektrode formira N-inverzijski sloj.

- To e se postii ako napon izmeu upravljake elektrode i uvada UGS(napon izmeuupravljake elektrode i uvoda) bude vei od napona praga UGS0(napon praga).

- Ako je pri tome napon UDS izmeu odvoda i uvoda jednak nuli, nastupa sluaj opisan na(sl.30.)




106/144



106

Slika 30.: Slikoviti prikaz rad N-kanalnog MOSFET-a

-to je UGSvei od UGS0na povrinu poluvodia ispod upravljake elektrode je koncentracijaslobodnih elektrona vea od koncentracije upljina u neutralnom volumenu.

(Pri UGS=UGS0, te su koncentracije po definiciji napona praga meusobno jednake), zbogtoga postoji inverzijski sloj ili N-kanal izmeu N+(podruje uvoda) i N+(podruje odvoda).



Neovisno o predznaku napona praga GS0,veliina GS-GS0 kada je formiran inverzijski sloj ima pozitivan predznak


107/144



107

veliina GS GS0, kada je formiran inverzijski sloj ima pozitivan predznaki zapravo je neto-napon upravljake elektrode prema uvodu

i podloci s obzirom na napon praga.Taj neto-napon podrava postojanje inverzijskog sloja .

- Vertikalno elektrino polje u oksidnom sloju ispod upravljake elektrode usmjerenoje od metala upravljake elektrode prema povrini poluvodiagdje silnice polja zavravaju na negativnim elektronskim nabojima.

Iznos toga polja je

X

GSX

dUF

0

0

gdje je :d0X- debljina oksidnog sloja iznad kanala

Vertikalno polje zbog UDS=0,

i uzemljenja podloge ima isti iznos za svaki 0


108/144



108

Zato se na povrini poluvodia formira inverzijski sloj to bogatiji elektronim to je UGS,a time i FOXvei.

U podruju neposredno ispod inverzijskog sloja nema slobodnih nosilaca jer su slobodni

elektroni otili na povrinu a upljine u volumen.U tom podruju postaje samo nekompenzirani pozitivni akceptorski ioni inei

osiromaeno podruje ili osiromaeni sloj.

Taj sloj razdvaja inverzijski sloj na povrini od neutralnog volumena.

Granina ploha izmeu ta dva sloja je intrinsina ravnina.

- Intrinsina ravnina:jeste

prelazno podruje (engl. transition region) izmeu neutralne N-strane i neutralne P-straneome

eno ravninama u kojima dolazi do krivljenja diagrama energetskih pojasa.


Documents

III ET II ,Predavanja 4-10.,2014.,MGacanovic