W5 18 Tranzystor - ue.pwr.wroc.pl · 3rgvwdz\ g]ldádqld hohphqwyz syásu]hzrgqlnrz\fk wudq]\vwru\ 3rolwhfkqlnd :urfádzvnd:\g]ldá (ohnwurqlnl .dwhgud . :urfãdz 3rolwhfkqlnd :urfádzvnd

$Page 1: W5 18 Tranzystor - ue.pwr.wroc.pl · 3rgvwdz\ g]ldádqld hohphqwyz syásu]hzrgqlnrz\fk wudq]\vwru\ 3rolwhfkqlnd :urfádzvnd:\g]ldá (ohnwurqlnl .dwhgud . :urfãdz 3rolwhfkqlnd :urfádzvnd$
1

Podstawy działania elementów

półprzewodnikowych -tranzystory

Politechnika Wrocławska

Wydział Elektroniki, Katedra K4

Wrocław 2018

Politechnika WrocławskaWydział Elektroniki, Katedra K4

Wprowadzenie

Trójkońcówkowy (czterokońcówkowy) półprzewodnikowyelement elektroniczny, posiadający zdolność wzmacnianiasygnału elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodziz angielskiego zwrotu "transfer resistor", który oznaczaelement transformujący rezystancję.

Wprowadzenie

Tranzystor ze względu na swoje właściwości wzmacniające znajduje bardzoszerokie zastosowanie. Wykorzystywany jest do budowy różnego rodzajuwzmacniaczy: różnicowych, operacyjnych, mocy (akustycznych), selektywnych,pasmowych. Jest podstawowym elementem w konstrukcji wielu układówelektronicznych, takich jak źródła prądowe, lustra prądowe, stabilizatory,przesuwniki napięcia, przełączniki, przerzutniki oraz generatory.

Ponieważ tranzystor może pełnić rolę przełącznika, z tranzystorów buduje się takżebramki logiczne realizujące podstawowe funkcje boolowskie, co stało się motoremdo bardzo dynamicznego rozwoju techniki cyfrowej w ostatnich kilkudziesięciulatach. Tranzystory są stosowane do konstrukcji wszelkiego rodzaju pamięcipółprzewodnikowych.


2

Wprowadzenie

BIPOLARNE (BJT – Bipolar Junction Transistor)

STEROWANE PRĄDOWO, czyli aby IC ≠ 0 musi IB ≠ 0prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego

UNIPOLARNE (FET – Field Effect Transistor)

STEROWANE POLEM ELEKTRYCZNYMwystępującym pomiędzy bramką i źródłem, czyli napięciem UGS

wytwarzającym to pole, ale IG ≈ 0prąd wyjściowy jest funkcją napięcia wejściowego


Wprowadzenie

Złącze 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 – współczynniki dyfuzji dziur i elektronów

Lp,n – drogi dyfuzji dziur i elektronów

pn,np – koncentracje nośników mniejszościowych


Wprowadzenie

Wartość prądu nasycenia:

- nie zależy od przyłożonego napięcia (źródło prądowe)

- zależy od poziomu nośników mniejszościowych w poszczególnych obszarach (sterowane) – np. poprzez zmianę liczby elektronów w obszarze p lub dziur w obszarze n

IS1

I

U

IS2

IS3

IS4

np1

np2

np3

np4


3

Wprowadzenie

Jak kontrolować liczbę (koncentrację) elektronów (nośników mniejszościowych)?????

P N

- +

ISU

--

-

--

-

-

Dodatkoweelektrony

Gdyby wstrzykiwać określoną liczbę nośników (elektronów lub dziur) w obszarzubożony złącza, można by zmieniając prędkość wstrzykiwania (generacji)regulować prąd płynący przez diodę spolaryzowaną w kierunku zaporowym.


Wprowadzenie

Sposoby zmiany koncentracji nośników:

- doprowadzenie energii z zewnątrz np.: promieniowanie świetlne, Rentgenowskie itp.

- wstrzykiwanie - dodatkowa elektroda (emiter) –wprowadzanie prądowe


Wprowadzenie

Przy takiej polaryzacji złącza p+ - n dziury wstrzykiwane są do obszaru n. Jeżelizdołają one przedostać się do obszaru spolaryzowanego zaporowo złącza n-p, tozwiększą jego prąd wsteczny. By było to możliwe obszar typu n musi być wąskiw porównaniu z drogą dyfuzji dziur.

B

C

E


4

Wprowadzenie

1) dziury tracone na rekombinacjęw bazie;2) dziury osiągające złącze kolektoraspolaryzowane zaporowo;3) cieplna generacja dziur i elektronówtworząca prąd nasycenia złączakolektorowego;4) elektrony dostarczane do bazyi rekombinujące z dziurami;5) elektrony wstrzyknięte do obszaruemitera przez złącze emiterowe.


Wprowadzenie


Wprowadzenie


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


Tranzystor bipolarnyWzmocnienie !!


Tranzystor bipolarnyBudowa


6

Tranzystor bipolarnyCharakterystyki

Tranzystor traktujemy jako czwórnik o czterech parametrach:

UWE UWY

IWE IWY

Wyznaczamy charakterystyki:

constIWYWY

constUWEWY

constIWYWE

constUWEWE

WE

WY

WY

WY

UfI

IfI

UfU

IfU

- wejściowe

- zwrotne napięciowe

- przejściowe prądowe

- wyjściowe


Tranzystor bipolarnyCharakterystyki dla WE


Dla stanu aktywnej pracy możemy zapisać:

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 bipolarnyStałoprądowy model Ebersa - Molla

IES - rewersyjny prąd nasycenia złącza emiterowego


7

Dla wysokich temperatur złącza bliskich max temp. złącza (np.dla krzemu Tjmax=1700) koniecznym staje się uwzględnieni zerowego prądu kolektora. Wówczas IC przyjmuje postać:

0CBB0CBC I1IIII

ICB0 – prąd zerowy złącza kolektor-baza przy polaryzacji wstecznej i odłączonym emiterze (typowa wartość dla krzemu 10-12 – 10-10 A, podwaja się przy wzroście temperatury o każde 8oC).

B C

E

UCEIB

IC

UBE

IB

E

ICB0



Linearyzacja diody w punkcie pracy Q

0BEQU

BE

Ebe dU

dIg BEQBE UU

B C

E

UCE

ICQ

UBE

IBQ

E

gbe

UBEQBQI



Tranzystor bipolarnyPunkt pracy

UCE

IC

UBE

IB

Q

UBEQ

QIBQICQ

UCEQ


8

Tranzystor bipolarnyStałoprądowy model zastępczy

Statyczny, nieliniowy model Ebersa – Molla wykorzystywany jestdo:

- analizy stałoprądowej układów tranzystorowych: obliczaniaparametrów układów polaryzacji

- analizy stabilności temperaturowej układów tranzystorowych


Tranzystor bipolarnyMałosygnałowy model „hybryd ” – parametry

rbb’ – rezystancja rozproszenia bazy wynika ze skończonej konduktywności obszaru bazy.Wprowadza dodatkową polaryzację złacza baza-emiter w kierunku przewodzenia (poprzez IC0), copowoduje przypływ prądu emitera nawet przy braku polaryzacji złącza baza-emiter.

Ma również znaczenie przy analizie właściwości szumowych tranzystora dla w. cz.

T

CQconstu

eb

cm

I

du

dig

ce

'

transkonuktancja (nie zależy odindywidualnych właściwości tranzystora

B

cb'e

ib B'

ub'e

E

rbb'

gb'e

cb'c

gmub'e

C

gce

gb'c

E

ic

T – potencjał termiczny elektronu 26mV

konuktancja wyjściowa

CEQEY

CQconstu

c

cece UU

I

di

dug

eb '


Tranzystor bipolarnyMałosygnałowy 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 wejściowa

T

CQmconstu

b

ebeb

Ig

di

dug

ce

''

transkonduktancja zwrotna

0''

CEQEY

CQceconstu

ce

bcb UU

Ig

du

dig

eb

T

mebcbeb

ggCC

'''


9

Tranzystor bipolarnyZjawisko Early’ego

IC

UCEUEY

nachylenie gce

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


Tranzystor bipolarnyMałosygnałowy model „hybryd ” – częstotliwości graniczne

Częstotliwości graniczne tranzystora - (wyznaczane ze współczynnika 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


][dB

3dB

0

0

0'

0 eb

m

g

gjgdy

jj

cc

gprzytogdy

cbeb

eb

10

''

'

2f

częstotliwość graniczna

ebcbeb gccgdy '''

cbeb

m

ccj

gj

''

max częstotliwość przenoszenia

ff

cc

gf

cbeb

mT 0

''2

T

Tranzystor bipolarnyMałosygnałowy model „hybryd ” – częstotliwości graniczne


10

Tranzystor bipolarnyParametry graniczne – charakterystyki dla dużych UCE

UCBOmax – max dopuszczalne nap. C-BUCEOmax – max dopuszczalne nap. C-E dla IB =0 (ok. ½ UCBOmax)UCER - UCEOmax przy włączonym R pomiędzy B-EUCES - UCEOmax przy włączonym R=0 pomiędzy B-E


Tranzystor bipolarnyParametry graniczne

Maksymalna moc strat – moc zamieniana na ciepło w tranzystorze

CCEBBECCEstr IUIUIUP


Tranzystor bipolarnyParametry statyczne

Najważniejsze parametry statyczne tranzystorów:

- moc admisyjna Pmax (hiperbola mocy)- prąd maksymalny Icmax

- prąd zerowy IC0

- maksymalne napięcie UCEmax

- napięcie nasycenia UCEsat

- współczynnik wzmocnienia prądowego β0


11

Tranzystor bipolarnyObudowy tranzystora

Tranzystory małosygnałowe

Tranzystory o mocy większej niż 500mW

Tranzystory o mocy (5 – 150)W


Tranzystor bipolarnyParametry popularnych tranzystorów


Tranzystor bipolarnyZastosowania


12

Tranzystor polowy

FET – Field Effect Transistor

JFET – Junction (złącze)

MOSFET – Metal Oxide Semiconductor (metal-tlenek-półprzewodnik) (metalowa bramka izolowana jest (dwu)tlenkiem krzemu od półprzewodnikowego kanału wiodącego prąd).MOSFET z kanałem zubażanym (DMOS) – depletion modeMOSFET z kanałem wzbogacanym (EMOS) – enhacement mode

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

Tranzystory polowe (unipolarne) działanie związane tylko z nośnikiem jednego rodzaju (dziury lub elektrony)Tranzystory polowe sterowane napięciem UGS (bipolarne IB) w normalnych warunkach w obw. B nie płynie prąd. Oznacza to, że rezystancja wejściowa tranzystora jest bardzo duża.


Tranzystor polowy

JFET – popularne BF245, BF246, BF247Tranzystory JFET są normalnie włączone UGS = 0 tranzystor przewodzi (podobnie MOSFET zubażane)


Tranzystor polowyTranzystory złączowe – JFET z kanałem typu n

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

2

p

GSDSSD U

U1II

Up – napięcie progowe przy ID = 0 (stan odcięcia kanału – pinch-off)

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

zakres nienasycenia (triodowy) – tranzystor zachowuje się jak

rezystor (ID funkcją UDS) – wart. rezyst. zależy 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

2

2 2 DSDSpGS

p

DSSD UUUU

U

II


13

Tranzystor polowyTranzystory złączowe – JFET z kanałem 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


Tranzystor polowyTranzystory złączowe – JFET – model małosygnałowy

Transkonduktancja

gdy ID = IDSS mm

p

DSSm g

U

Ig

2 max możliwa do uzyskania transkonduktancja

Ugs

G

gmUgs

D

gdsCgs

rddD'

S

S'

Cgd

Cgss

rss

S

DDSS

p

pGS

p

DSSm II

UUU

U

Ig

222

0

DSUGS

Dm U

Ig

Cgs – pojemność pomiędzy bramką a źródłem,Cgd – pojemność pomiędzy bramką a drenem,Cgs – pojemność pomiędzy bramką a podłożem,

rdd , rss – rezystancje szeregowe drenu i źródła, najczęściej pomijane w schemacie


Tranzystor polowyTranzystory złączowe – JFET – model małosygnałowy

- współczynnik uwzględniający efekt modulacji długości kanału (0,001 – 0,100) V-1

Ugs

G

gmUgs

D

gdsCgs

rddD'

S

S'

Cgd

Cgss

rss

S 0

0

GSUDS

Dds U

Igg

Konduktancja drenu (g0 – konduktancja wyjściowa)

DGSp

p

DSSds IUU

U

Ig 2


14

Tranzystor polowyTranzystory złączowe – JFET – częstotliwość fT

fT – częstotliwość odcięcia (cut-off) wyznaczana przy Iwe = gmUgs , tj. przy zwartym wyjściu

przy zwartym wyjściu Iwe jest prądem ładowania pojemności wejściowych

gsgdgssgswe UCCCjI gsmgsGTwe UgUCfI 2

G

mT C2

gf

G

gmUgs

D

Cgs

S

Cgd

Cgss

S

Iwe Id

gdgssgsG CCCC


Tranzystory polowyTranzystory z izolowana bramką z kanałem wzbogacanym –MOSFET normalnie wyłączone (EMOS) – z kanałem 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 – napięcie progowe przy ID = 0 (threshold),IDSS – prąd ID (prąd upływu złącza D-S) przy napięciu UGS 0,IDON – prąd drenu przy pełnym włączeniu tranzystora (przy RDON)


Tranzystory polowyTranzystory z izolowana bramką z kanałem wzbogacanym –MOSFET normalnie wyłączone (EMOS) – z kanałem 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


15

Tranzystor polowyTranzystory MOSFET – model małosygnałowy

Transkonduktancja

constUUGS

Dm

BSDSU

Ig

,

Konduktancja wyjściowa

constUUDS

Dds

BSGSU

Igg

,

0

G

gmbUbs

D

gdsCgs

rddD'

S

S'

Cgd

Cgb

rss

Cdb

B

Cbs

gmUgs

constUUBS

Dmb

GSDSU

Ig

,

Transkonduktancja wynikająca z wpływu UBS naparametry kanału. Wykorzystywana w obliczeniachgdy pojawi się składowa zmienna UBS.


Tranzystor polowyTranzystory MOSFET – model małosygnałowy

Tranzystory MOS pracują najczęściej przy stałym napięciu bramki (brak składowej zmiennej UBS –nie występuje efekt podłoża) – pomijamy źródło 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


Tranzystor polowyTranzystory MOSFET – częstotliwość odcięcia fT

gbgdgs

mT CCC

gf

2

G D

gdsCgs

S

Cgd

Cgb CdbgmUgs

S

Ugs

Iwe Id

fT – częstotliwość odcięcia (cut-off) wyznaczana przy Iwe = gmUgs , tj. przy zwartym wyjściu


16

Tranzystor polowyTypowe dane katalogowe

BF245B (tranzystor złączowy kanał n zubożany – małej mocy)

IRF530 (tranzystor MOS typu n wzbogacany – dużej mocy)

Parametry graniczne

Napięcie D-S UDS max 30 V 100 V

Prąd D ID max 25 mA 10 A

Napięcie G-S UGS max -30 V ±20 V

Moc strat Ptot 300 mW 75 W

Parametry charakterystyczne

Napięcie progowe UP -1,5 ... –4,5 V 1,5 ... 3,5 V

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

Transkonduktancja gm 5 mA/V 5 A/V

Prąd G IG max 5 nA 0,5 mA

Prąd D w st. odcięcia ID max 10 nA 1 mA

Pojemność wej CweS 4 pF 750 pF

Pojemność wyj CwyS 1,6 pF 300 pF

Pole wzmocnienia fT 700 MHz


Documents

W5 18 Tranzystor - ue.pwr.wroc.pl · 3rgvwdz\ g]ldádqld hohphqwyz syásu]hzrgqlnrz\fk wudq]\vwru\ 3rolwhfkqlnd :urfádzvnd:\g]ldá (ohnwurqlnl .dwhgud . :urfãdz 3rolwhfkqlnd :urfádzvnd