1

Podstawy dziaania elementw

pprzewodnikowych -tranzystory

Politechnika Wrocawska

Wydzia Elektroniki, Katedra K4

Wrocaw 2018

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Wprowadzenie

Trjkocwkowy (czterokocwkowy) pprzewodnikowyelement elektroniczny, posiadajcy zdolno wzmacnianiasygnau elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodziz angielskiego zwrotu "transfer resistor", ktry oznaczaelement transformujcy rezystancj.

Wprowadzenie

Tranzystor ze wzgldu na swoje waciwoci wzmacniajce znajduje bardzoszerokie zastosowanie. Wykorzystywany jest do budowy rnego rodzajuwzmacniaczy: rnicowych, operacyjnych, mocy (akustycznych), selektywnych,pasmowych. Jest podstawowym elementem w konstrukcji wielu ukadwelektronicznych, takich jak rda prdowe, lustra prdowe, stabilizatory,przesuwniki napicia, przeczniki, przerzutniki oraz generatory.

Poniewa tranzystor moe peni rol przecznika, z tranzystorw buduje si takebramki logiczne realizujce podstawowe funkcje boolowskie, co stao si motoremdo bardzo dynamicznego rozwoju techniki cyfrowej w ostatnich kilkudziesiciulatach. Tranzystory s stosowane do konstrukcji wszelkiego rodzaju pamicipprzewodnikowych.

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

2

Wprowadzenie

BIPOLARNE (BJT Bipolar Junction Transistor)STEROWANE PRDOWO, czyli aby IC 0 musi IB 0

prd wyjciowy jest funkcj prdu wejciowego

UNIPOLARNE (FET Field Effect Transistor)STEROWANE POLEM ELEKTRYCZNYM

wystpujcym pomidzy bramk i rdem, czyli napiciem UGSwytwarzajcym to pole, ale IG 0

prd wyjciowy jest funkcj napicia wejciowego

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Wprowadzenie

Zcze PN spolaryzowane zaporowo:

P N

- +

ISU IS

I

U

USAT=0.1...0.2V

n

pn

p

npS L

nD

L

pDqI

gdzie:

Dp,n wspczynniki dyfuzji dziur i elektronw

Lp,n drogi dyfuzji dziur i elektronw

pn,np koncentracje nonikw mniejszociowych

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Wprowadzenie

Warto prdu nasycenia:

- nie zaley od przyoonego napicia (rdo prdowe)

- zaley od poziomu nonikw mniejszociowych w poszczeglnych obszarach (sterowane) np. poprzez zmian liczby elektronw w obszarze p lub dziur w obszarze n

IS1

I

U

IS2

IS3

IS4

np1

np2

np3

np4

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

3

Wprowadzenie

Jak kontrolowa liczb (koncentracj) elektronw (nonikw mniejszociowych)?????

P N

- +

ISU

--

-

--

-

-

Dodatkoweelektrony

Gdyby wstrzykiwa okrelon liczb nonikw (elektronw lub dziur) w obszarzuboony zcza, mona by zmieniajc prdko wstrzykiwania (generacji)regulowa prd pyncy przez diod spolaryzowan w kierunku zaporowym.

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Wprowadzenie

Sposoby zmiany koncentracji nonikw:

- doprowadzenie energii z zewntrz np.: promieniowanie wietlne, Rentgenowskie itp.

- wstrzykiwanie - dodatkowa elektroda (emiter) wprowadzanie prdowe

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Wprowadzenie

Przy takiej polaryzacji zcza p+ - n dziury wstrzykiwane s do obszaru n. Jeelizdoaj one przedosta si do obszaru spolaryzowanego zaporowo zcza n-p, tozwiksz jego prd wsteczny. By byo to moliwe obszar typu n musi by wskiw porwnaniu z drog dyfuzji dziur.

B

C

E

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

4

Wprowadzenie

1) dziury tracone na rekombinacjw bazie;2) dziury osigajce zcze kolektoraspolaryzowane zaporowo;3) cieplna generacja dziur i elektronwtworzca prd nasycenia zczakolektorowego;4) elektrony dostarczane do bazyi rekombinujce z dziurami;5) elektrony wstrzyknite do obszaruemitera przez zcze emiterowe.

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Wprowadzenie

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Wprowadzenie

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

5

Tranzystor bipolarnyPolaryzacja

B

C

EUBE

UCE

IB

IC

+

-

+

-B

C

E

+

-

+

-UBE

UCE

IB

IC

n p n p n p

B

C

E

B

C

E

pnp

B

C

E

B

C

E

npn

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor bipolarnyWzmocnienie !!

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor bipolarnyBudowa

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

6

Tranzystor bipolarnyCharakterystyki

Tranzystor traktujemy jako czwrnik o czterech parametrach:

UWE UWY

IWE IWY

Wyznaczamy charakterystyki:

constIWYWY

constUWEWY

constIWYWE

constUWEWE

WE

WY

WY

WY

UfI

IfI

UfU

IfU

- wejciowe

- zwrotne napiciowe

- przejciowe prdowe

- wyjciowe

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor bipolarnyCharakterystyki dla WE

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Dla stanu aktywnej pracy moemy zapisa:

T

BEESE

UII

exp

EC II

ECEB IIII 1

Uproszczony model E M dla stanu aktywnej pracy normalnej tranzystora :

B C

E

UCEIB

IC

UBE

IB

E

Tranzystor bipolarnyStaoprdowy model Ebersa - Molla

IES - rewersyjny prd nasycenia zcza emiterowego

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

7

Dla wysokich temperatur zcza bliskich max temp. zcza (np.dla krzemu Tjmax=1700) koniecznym staje si uwzgldnieni zerowego prdu kolektora. Wwczas IC przyjmuje posta:

0CBB0CBC I1IIII ICB0 prd zerowy zcza kolektor-baza przy polaryzacji wstecznej i odczonym emiterze (typowa warto dla krzemu 10-12 10-10 A, podwaja si przy wzrocie temperatury o kade 8oC).

B C

E

UCEIB

IC

UBE

IB

E

ICB0

Tranzystor bipolarnyStaoprdowy model Ebersa - Molla

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Linearyzacja diody w punkcie pracy Q

0BEQU

BE

Ebe dU

dIg BEQBE UU

B C

E

UCE

ICQ

UBE

IBQ

E

gbe

UBEQBQI

Tranzystor bipolarnyStaoprdowy model Ebersa - Molla

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor bipolarnyPunkt pracy

UCE

IC

UBE

IB

Q

UBEQ

QIBQ ICQ

UCEQ

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

8

Tranzystor bipolarnyStaoprdowy model zastpczy

Statyczny, nieliniowy model Ebersa Molla wykorzystywany jestdo:

- analizy staoprdowej ukadw tranzystorowych: obliczaniaparametrw ukadw polaryzacji

- analizy stabilnoci temperaturowej ukadw tranzystorowych

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor bipolarnyMaosygnaowy model hybryd parametry

rbb rezystancja rozproszenia bazy wynika ze skoczonej konduktywnoci obszaru bazy.Wprowadza dodatkow polaryzacj zacza baza-emiter w kierunku przewodzenia (poprzez IC0), copowoduje przypyw prdu emitera nawet przy braku polaryzacji zcza baza-emiter.

Ma rwnie znaczenie przy analizie waciwoci szumowych tranzystora dla w. cz.

T

CQconstu

eb

cm

I

du

dig

ce

'

transkonuktancja (nie zaley odindywidualnych waciwoci tranzystora

B

cb'e

ib B'

ub'e

E

rbb'

gb'e

cb'c

gmub'e

C

gce

gb'c

E

ic

T potencja termiczny elektronu 26mV

konuktancja wyjciowa

CEQEY

CQconstu

c

cece UU

I

di

dug

eb '

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor bipolarnyMaosygnaowy model hybryd parametry

B

cb'e

ib B'

ub'e

E

rbb'

gb'e

cb'c

gmub'e

C

gce

gb'c

E

ic

konuktancja wejciowa

TCQm

constub

ebeb

Ig

di

dug

ce

''

transkonduktancja zwrotna

0'' CEQEYCQce

constuce

bcb UU

Ig

du

dig

eb

T

mebcbeb

ggCC

'''

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

9

Tranzystor bipolarnyZjawisko Earlyego

IC

UCEUEY

nachylenie gce

npn ~ (80-200) Vpnp ~ (40-150) V

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor bipolarnyMaosygnaowy model hybryd czstotliwoci graniczne

Czstotliwoci graniczne tranzystora - (wyznaczane ze wspczynnika przy zwarciu obwodu kolektora)

eb

cbeb

eb

m

b

ebmu

b

c

g

ccj

g

g

ji

jug

i

ij

ce

'

''

''0

1

B

cb'e

ib B'

ub'e

E

rbb'

gb'e

cb'c

C

E

ic

gmub'e

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

][dB

3dB

0

0

0'

0 eb

m

g

gjgdy

jj

cc

gprzytogdy

cbeb

eb

10

''

'

2f

czstotliwo graniczna

ebcbeb gccgdy ''' cbeb

m

ccj

gj

''

max czstotliwo przenoszenia

ffccg

fcbeb

mT 0

''2

T

Tranzystor bipolarnyMaosygnaowy model hybryd czstotliwoci graniczne

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

10

Tranzystor bipolarnyParametry graniczne charakterystyki dla duych UCE

UCBOmax max dopuszczalne nap. C-BUCEOmax max dopuszczalne nap. C-E dla IB =0 (ok. UCBOmax)UCER - UCEOmax przy wczonym R pomidzy B-EUCES - UCEOmax przy wczonym R=0 pomidzy B-E

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor bipolarnyParametry graniczne

Maksymalna moc strat moc zamieniana na ciepo w tranzystorze

CCEBBECCEstr IUIUIUP

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor bipolarnyParametry statyczne

Najwaniejsze parametry statyczne tranzystorw:

- moc admisyjna Pmax (hiperbola mocy)- prd maksymalny Icmax- prd zerowy IC0- maksymalne napicie UCEmax- napicie nasycenia UCEsat- wspczynnik wzmocnienia prdowego 0

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

11

Tranzystor bipolarnyObudowy tranzystora

Tranzystory maosygnaowe

Tranzystory o mocy wikszej ni 500mW

Tranzystory o mocy (5 150)W

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor bipolarnyParametry popularnych tranzystorw

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor bipolarnyZastosowania

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

12

Tranzystor polowy

FET Field Effect Transistor

JFET Junction (zcze)

MOSFET Metal Oxide Semiconductor (metal-tlenek-pprzewodnik) (metalowa bramka izolowana jest (dwu)tlenkiem krzemu od pprzewodnikowego kanau wiodcego prd).MOSFET z kanaem zubaanym (DMOS) depletion modeMOSFET z kanaem wzbogacanym (EMOS) enhacement mode

W praktyce stosowane s : 1. JFET N,2. MOSFET wzbogacany N,3. MOSFET wzbogacany P.

Tranzystory polowe (unipolarne) dziaanie zwizane tylko z nonikiem jednego rodzaju (dziury lub elektrony)Tranzystory polowe sterowane napiciem UGS (bipolarne IB) w normalnych warunkach w obw. B nie pynie prd. Oznacza to, e rezystancja wejciowa tranzystora jest bardzo dua.

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor polowy

JFET popularne BF245, BF246, BF247Tranzystory JFET s normalnie wczone UGS = 0 tranzystor przewodzi (podobnie MOSFET zubaane)

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor polowyTranzystory zczowe JFET z kanaem typu n

UDS > 0, ID > 0, UGS < 0 i Up < 0

2

p

GSDSSD U

U1II

Up napicie progowe przy ID = 0 (stan odcicia kanau pinch-off)

IDSS max ID w zakresie nasycenia (przy UGS = 0)

zakres nienasycenia (triodowy) tranzystor zachowuje si jak

rezystor (ID funkcj UDS) wart. rezyst. zaley od UGS

zakres nasycenia (pentodowy)

ID[mA]

UGS = 0

UDS[V]

UGS[V]

IDSS

-Up

UDS -UGS = - Up

UGS = -Up

G

D

S

UDS

UGS

ID

22 2 DSDSpGSp

DSSD UUUU

U

II

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

13

Tranzystor polowyTranzystory zczowe JFET z kanaem typu p

UDS < 0, ID < 0, UGS > 0 i Up > 0

G

D

S

UDS

UGS

ID

UGS = 0

UDS[V]

ID[mA]

UGS[V]

-IDSS

Up

UGS = Up

UDS -UGS = Up

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor polowyTranzystory zczowe JFET model maosygnaowy

Transkonduktancja

gdy ID = IDSS mmp

DSSm g

U

Ig

2 max moliwa do uzyskania transkonduktancja

Ugs

G

gmUgs

D

gdsCgs

rddD'

S

S'

Cgd

Cgss

rss

S

DDSSp

pGS

p

DSSm II

UUU

U

Ig

222

0

DSUGS

Dm U

Ig

Cgs pojemno pomidzy bramk a rdem,Cgd pojemno pomidzy bramk a drenem,Cgs pojemno pomidzy bramk a podoem,

rdd , rss rezystancje szeregowe drenu i rda, najczciej pomijane w schemacie

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor polowyTranzystory zczowe JFET model maosygnaowy

- wspczynnik uwzgldniajcy efekt modulacji dugoci kanau (0,001 0,100) V-1

Ugs

G

gmUgs

D

gdsCgs

rddD'

S

S'

Cgd

Cgss

rss

S 00

GSUDS

Dds U

Igg

Konduktancja drenu (g0 konduktancja wyjciowa)

DGSpp

DSSds IUU

U

Ig 2

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

14

Tranzystor polowyTranzystory zczowe JFET czstotliwo fTfT czstotliwo odcicia (cut-off) wyznaczana przy Iwe = gmUgs , tj. przy zwartym wyjciu

przy zwartym wyjciu Iwe jest prdem adowania pojemnoci wejciowych

gsgdgssgswe UCCCjI gsmgsGTwe UgUCfI 2

G

mT C2

gf

G

gmUgs

D

Cgs

S

Cgd

Cgss

S

Iwe Id

gdgssgsG CCCC

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystory polowyTranzystory z izolowana bramk z kanaem wzbogacanym MOSFET normalnie wyczone (EMOS) z kanaem typu n

UDS > 0, ID > 0, UGS > 0 i UT > 0

UDS

UGS

ID

UBB

G

D

S

B ID[mA]

UDS[V]

ID[mA]

UT

UGS[V]

UGS > 0

typowo10 V

IDON

IDSS

UT napicie progowe przy ID = 0 (threshold),IDSS prd ID (prd upywu zcza D-S) przy napiciu UGS 0,IDON prd drenu przy penym wczeniu tranzystora (przy RDON)

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystory polowyTranzystory z izolowana bramk z kanaem wzbogacanym MOSFET normalnie wyczone (EMOS) z kanaem typu p

UDS < 0, ID < 0, UGS < 0 i UT < 0

UDS

UGS

ID

UBB

G

D

S

B

typowo10 V

IDON

ID[mA]

UDS[V]

ID[mA]

UT UGS[V]

UGS < 0

IDSS

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

15

Tranzystor polowyTranzystory MOSFET model maosygnaowy

Transkonduktancja

constUUGS

Dm

BSDSU

Ig

,

Konduktancja wyjciowa

constUUDS

Dds

BSGSU

Igg

,

0

G

gmbUbs

D

gdsCgs

rddD'

S

S'

Cgd

Cgb

rss

Cdb

B

Cbs

gmUgs

constUUBS

Dmb

GSDSU

Ig

,

Transkonduktancja wynikajca z wpywu UBS naparametry kanau. Wykorzystywana w obliczeniachgdy pojawi si skadowa zmienna UBS.

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor polowyTranzystory MOSFET model maosygnaowy

Tranzystory MOS pracuj najczciej przy staym napiciu bramki (brak skadowej zmiennej UBS nie wystpuje efekt podoa) pomijamy rdo gmb Ubs

G D

gdsCgs

S

Cgd

Cgb CdbgmUgs

S

Ugs

Iwe Id

G

gmbUbs

D

gdsCgs

rddD'

S

S'

Cgd

Cgb

rss

Cdb

B

Cbs

gmUgs

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

Tranzystor polowyTranzystory MOSFET czstotliwo odcicia fT

gbgdgsm

T CCC

gf

2

G D

gdsCgs

S

Cgd

Cgb CdbgmUgs

S

Ugs

Iwe Id

fT czstotliwo odcicia (cut-off) wyznaczana przy Iwe = gmUgs , tj. przy zwartym wyjciu

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4

16

Tranzystor polowyTypowe dane katalogowe

BF245B (tranzystor zczowy kana n zuboany maej mocy)

IRF530 (tranzystor MOS typu n wzbogacany duej mocy)

Parametry graniczne

Napicie D-S UDS max 30 V 100 V

Prd D ID max 25 mA 10 A

Napicie G-S UGS max -30 V 20 V

Moc strat Ptot 300 mW 75 W

Parametry charakterystyczne

Napicie progowe UP -1,5 ... 4,5 V 1,5 ... 3,5 V

Prd D przy UGS=0 IDSS 6 ... 15 mA 0.25 mA

Transkonduktancja gm 5 mA/V 5 A/V

Prd G IG max 5 nA 0,5 mA

Prd D w st. odcicia ID max 10 nA 1 mA

Pojemno wej CweS 4 pF 750 pF

Pojemno wyj CwyS 1,6 pF 300 pF

Pole wzmocnienia fT 700 MHz

Politechnika WrocawskaWydzia Elektroniki, Katedra K4