(/(.7521,.$ 7. TRANZISTORI

Transcript

1 7. TRANZISTORI Tranzistori su aktivni poluvodički elementi, u pravilu s tri elektrode, a pretežito se upotrebljavaju kao pojačala ili elektroničke sklopke. Njegov naziv dolazi od Transfer Resistor (prijenosni otpornik), a može biti bipolaran ako korisnu struju kroz njega čine i manjinski i većinski nositelji naboja ili unipolaran ako je struja posljedica djelovanja većinskih nosilaca. Bipolarni tranzistori nazivaju se još i spojni (eng. junction), a mogu biti PNP ili NPN tipa. Unipolarni tranzistori još se nazivaju i tranzistori s efektom polja (eng. Field Effect Transistor), a postoje dva osnovna kontrukcijska oblika: spojni tranzistori s efektom polja (Junction Field Effect Tranzistor) i metal oksidni poluvodički tranzistor s efektom polja (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tranzistor) ili skraćeno FET i MOSFET. Bipolarni i unipolarni tranzistori imaju sličnu temeljnu poluvodičku strukturu, ali su bitno različiti u načinu upravljanja izlaznom strujom Unipolarni tranzistori Kod unipolarnih tranzistora, izlazna struja je struja većinskih nosilaca koja nastaje uz zanemarivo malo djelovanje manjinskih nosilaca. Oni se lakše proizvode od bipolarnih tranzistora i zauzimaju malo prostora kada se proizvode u tehnici integriranih krugova. Imaju vrlo veliku ulaznu impedanciju, tako da ih se može usporediti s elektroničkim cijevima. Unipolarni tranzistor kao i elektronička cijev je naponski upravljiv elektronički element, što je velika prednost prema bipolarnom tranzistoru koji je strujno upravljivi element Spojni tranzistor s efektom polja Spojni tranzistori s efektom polja se proizvode: s kanalom N tipa i s kanalom P tipa. Pojednostavljena struktura FET-a s kanalom N tipa prikazana je slikom 179. Slika 179. Pojednostavljena struktura spojnog tranzistora s efektom polja Komadić materijala N tipa koji predstavlja kanal, ima oblik štapa, čiji krajevi se nazivaju izvod ili ponor (eng. drain) i izvor (eng. source). Na drugim stranama kanala 71

2 oformljena su područja P tipa, međusobno povezana i jako dopirana (P+) koja s manje dopiranim (N) kanalom čine PN spoj, a cijelo to područje naziva se upravljačka elektroda (end. gate). Ukoliko se na krajeve kanala sa slobodnim priključkom upravljačke elektrode, dovede napon U DD, tada će kroz njega poteći struja većinskih nosilaca - elektrona. Jakost ove struje određena je Ohmovim zakonom, odnosno naponom U DS i otporom kanala. Izvor (S) je kraj kroz koji većinski nosioci ulaze u kanal, ponor (D) je onaj kraj kroz koji većinski nosioci izlaze iz kanala. Područja upravljačkih elektroda mogu se dobiti legiranjem, difuzijom ili nekom drugim postupkom, a jedan tip konstrukcije FET-a dobiven procesom difuzije prikazan je slikom 180. Proces započinje s podlogom P tipa, na kojoj se difuzijom donorskih primjesa oformi kanal N tipa. Tada se difuzijom primjesa P tipa (akceptorskih primjesa) na N kanalu oformi jedna strana upravljačke elektrode, dok drugu stranu predstavlja podloga. Na kraju se nanosi metal za mjesta priključaka. Slika 180. Konstrukcija FET-a dobiven procesom difuzije Ako se na upravljačku elektrodu (G) priključi negativan potencijal u odnosu na potencijal izvoda (S), osiromašeni slojevi PN spojeva se prošire jer su PN spojevi polarizirani u inverznom smjeru, i to više u području kanala, a manje u području upravljačke elektrode zbog različitih koncentracija primjesa (slika 179). Iz osiromašenog sloja strujni nosioci su difundirali preko spoja, ostavljajući pozitivne ione na N strani i negativne ione na P strani. Ukoliko se taj inverzni napon poveća, povećati će se i debljina osiromašenog područja kanala, što znači, da će se povećanjem inverznog napona između upravljačke elektrode i izvora smanjiti vodljiva širina kanala, zbog čega će porasti otpor kanala, odnosno opasti će struja kanala pri konstantnom naponu na krajevima kanala. Doda li se potrošač u seriju s naponom U DD prema izvodu (D), promjena struje I D dovodi do pada napona na potrošaču, tako da uz malu promjenu napona na upravljačkoj elektrodi dolazi do velike promjene izlazne struje. Za određenu vrijednost inverznog napona U GS kanal cijelom svojom širinom postaje nevodljiv i struja kroz njega je tada jednaka nuli. Sam naziv efekt polja dolazi iz činjenice da su osiromašena područja u kanalu rezultat djelovanja električnog polja na inverzno polariziranim PN spojevima upravljačka elektroda (G) - kanal. Naziv unipolarni, vidi se, dolazi zbog toga što struju izvoda čini samo jedan tip nosilaca naboja - elektrona kod N-kanalnog FET-a, odnosno šupljina kod P-kanalnog. 72

3 Karakteristika FET-a N tipa Na ponašanje spojnog tranzistora s efektom polja bitno djeluje osiromašeni sloj PN spoja. Njegov utjecaj najbolje se može pokazati ako se promatra karakteristika I DS =f(u DS ) kada je U GS =0, kako je to prikazano slikom 181. Slika 181. Prikaz osiromašenog sloja pri U GS =0 i funkcija I D =f(u DS ) Kako kanal ima određeni otpor, struja I D stvara na njemu pad napona, koji ovisi o jakosti ove struje. Napon između upravljačke elektrode (G) i neke točke na kanalu, neće biti konstantan duž kanala zbog razlike pada napona na dijelu otpora izvora (S) do promatrane točke. To će dovesti do različitog širenja osiromašenog sloja duž kanala, a najširi je u području priključka izvoda (D), jer su na tom dijelu PN spojevi najviše inverzno polarizirani. Ako se spoje upravljačka elektroda i izvor (slika 181) i za različite napone U DS mjeri struja I D, tada se dobivenim vrijednostima može nacrtati krivulja prikazana na istoj slici.. Kada je U DS =0 i I D =0, duž kanala nema pada napona, tako da je i napon između svake točke na kanalu i izvora (S) jednak nuli. U području napona U DS =0 do nakog napona manjeg od U P, porast struje je približno linearan. Daljnjim porastom napona U DS nastaje znatno proširenje osiromašenog sloja, koje dovodi do znatne promjene otpora kanala, pa se kod napona U P dolazi do struje zasićenja I DSS. Daljnjim povećanjem napona U DS dolazi do neznatnog povećanja struje I D. Kada se postigne struja zasićenja, oblik osiromašenih slojeva je takav da želi zatvoriti ili prekinuti kanal, pa se napon kod kojeg se to događa naziva napon prekida ili dodira (eng. pinch off voltage) ili V p. Područje karakteristike između U DS =0 i U DS =U P naziva se triodno područje, jer je ovaj dio sličan karakteristici elektroničke cijevi - triode. Daljnjim povećanjem napona U DS dolazi do proboja, pri čemu će se tranzistor 73

4 najvjerojatnije uništiti, tako da je normalni rad tranzistora s efektom polja u području zasićenja. Ako se između upravljačke elektrode i izvora priključi napon U GS tako da još više inverzno polarizira PN spojeve, onda i pri naponu U DS =0 postoji osiromašeno područje u kanalu čija širina ovisi o naponu U GS. Tako se u odnosu na U GS =0 u području malih napona, od U DS =0 kanal ima veći otpor, pa krivulja I D =f(u DS ) u tom području ima manji nagib. Niža struja zasićenja se postiže na nižim vrijednostima napona U DS, tako da se uz različite napone U GS dobiva skup krivulja prikazan slikom 182, koji se naziva izlazna karakteristika tranzistora. Slika 182. Skup krivulja I D =f(u DS ) pri U GS =const. za FET Sa slike je vidljivo da se napon U P smanjuje ako se povećava inverzna polarizacija PN spojeva između upravljačke elektrode i kanala. Ukoliko se mjeri I D uz konstanatan U DS i promijenjiv U GS dobiva se prijenosna karakteristika FET-a, koja je prikazana slikom 183. Slika 183. Prijenosna karakteristika FET-a I D =f(u GS ) uz U DS =const. Osim već opisanog N kanalnog FET-a postoji i P kanalni, kod kojeg je kanal P tipa, a upravljačke elektrode su N tipa. Princip rada obje vrste je jednak, uz osnovnu razliku u smjeru napona za postizanje inverznog napona PN spoja upravljačka elektroda - kanal. Simboli oba tipa FET-a prikazani su slikom

5 N kanalni FET P kanalni FET Slika 184. Grafički simboli za spojni tranzistor s efektom polja Prijenosna karakteristika FET-a približno se može prikazati jednadžbom: 2 U GS ID = IDSS 1 U P Iz nagiba prijenosne karakteristike može se odrediti parametar g m tranzistora, koji se kao i kod elektroničkih cijevi naziva strmina. Kako se nagib prijenosne karakteristike mijenja s promjenom napona U GS, tako i strmina g m ovisi o točci na karakteristici na koju se odnosi. Vrijednost g m daje proizvođač tranzistora u sklopu tehničkih podataka, a eksperimentalno se može odrediti pomoću izraza: promjena I D I D gm =, kada je napon U DS konstantan, ili gm = promjena U GS U, a UDS = const. GS izražava se u µs ili ma/v. Drugi parametar tranzistora, značajan za izmjenični signal je otpor izvoda r d, a definira se: promjena U DS U DS rd =, kada je napon U GS konstantan, ili rd = UGS = const.. promjena I I D Ekvivalentna shema tranzistora za mali signal U GS Ako se izraz za prijenosnu karakteristiku ID = IDSS 1 derivira, dobiva se: U P di U D GS I DSS U GS = I DSS 1 du GS UP U P = 2 U i ako se obje strane pomnože s P U P I DSS dobije se: 2 U 2 GS 2 ID IDSS = IDSS 1 iz čega slijedi da je: gm = ID IDSS, pa je: U P U P uds id = gm ugs +, koji se može prikazati ekvivalentnom shemom kao na slici 185. r d 2 D Slika 185. Ekvivalentna shema FET-a za mali signal 75

6 Struktura i karakteristika MOS tranzistora s efektom polja (MOSFET) Osim naziva Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) može se naći naziv tranzistor s efektom polja s izoliranom upravljačkom elektrodom, a proizvode se u dva podtipa: s kanalom N tipa i s kanalom P tipa. Struktura MOSFETa prikazana je slikom 186, gdje su na podlozi od visokootpornog poluvodičkog materijala P tipa (Si) difuzijom oformljena dva područja od jako dopiranog materijala N tipa. Slika 186. Struktura MOSFET-a s kanalom N tipa Jedno područje predstavlja izvod (D), a drugo izvor (S), a cijela površina je prekrivena slojem silicijevog dioksida, na kojem su napravljeni otvori prema N području i oformljeni metalni priključci za izvod i izvor. Na površini između područja izvoda i izvora postavlja se metal koji predstavlja upravljačku elektrodu (G). Ovo dočarava tzv. sendvič strukturu : metal-oksid-poluvodič, odakle i naziv MOS tranzistor. Na slici 186 prikazana je struktura MOS tranzistora s efektom polja s kanalom N tipa. U normalnom radu napon između izvoda (D) i izvora (S) priključen je tako da pozitivan pol dođe na priključak izvoda, pa ako je pri tome priključak upravljačke elektrode (G) slobodan, dva N područja i zajednička podloga P tipa predstavljaju dvije PN diode (suprotno orjentirane) između kojih je serijski vezan otpornik. Kako oba spoja ne mogu biti propusno polarizirana, tako se cijeli spoj ponaša kao veliki otpor između izvoda i izvora. Ako se podloga P tipa poveže na priključak izvora (S) na PN spoju izvor-podloga nema napona, a PN spoj izvodpodloga ostaje inverzno polariziran. Dovođenjem napona na upravljačku elektrodu s pozitivnim potencijalom u odnosu na izvor (S), u podlozi se stvaraju negativni nosioci naboja - elektroni, koji za podlogu P tipa predstavljaju manjinske nosioce. Oni će biti privučeni na metalnu ploču, koja je na pozitivnom potencijalu, ali na nju ne mogu stići jer se između ploče i podloge nalazi izolirajući oksid, tako da se oni skupljaju ispod ploče u području između izvoda i izvora, stvarajući na taj način kanal N tipa kako je to prikazano slikom 187. Jakost struje izvoda (D) je to veća što je veći broj nosilaca stvorenih naboja na strani upravljačke elektrode, a veći pozitivni potencijal na njoj stvara veći broj nosilaca naboja. Potencijalom na upravljačkoj elektrodi je tako moguće upravljati strujom izvoda (D). 76

7 Slika 187. Nastajanje kanala N tipa priključkom potencijala na MOSFET Za napon U GS =0 i struja I D =0, a uz pozitivniji potencijal na upravljačkoj elektrodi i vodljivost kanala je veća. Zbog toga što je upravljačka elektroda izolirana od kanala, ulazni otpor tranzistora je vrlo velik i iznosi oko do Ohma. Tako se može pokazati da je izlazna struja praktički upravljana bez ulazne struje u ulaznom krugu tranzistora.. Drugi tip MOSFET-a se dobije ako se tvornički oformi kanal, neznatnom difuzijom primjesa istog tipa kao i izvor i izvod. Kod ovog tranzistora za napon U GS =0 teče znatna struja izvoda I DSS (ako između izvoda i izvora postoji napon), jer takav kanal ima određenu vodljivost i bez utjecaja električnog polja između upravljačke elektrode i podloge. Izlazne i prijenosne karakteristike ovog tipa MOSFET-a slične su karakteristikama spojnog FET-a kako je to prikazano slikom 188. Slika 188. Izlazne i prijenosne karakteristike MOSFET-a s tvornički izvedenim kanalom N tipa Kod MOSFET-a bez tvornički oformljenog kanala prijenosna karakteristika se nalazi samo u području pozitivnih vrijednosti napona U GS, za tranzistor s kanalom N 77

8 tipa, dok se za tranzistor s ugrađenim kanalom prijenosna karakteristika nalazi za oba polariteta napona U GS (slika 188). Simbol tranzistora s ugrađenim kanalom prikazan je slikom 189b, dok je MOSFET bez ugrađenog kanala prikazan slikom 189a. a) MOSFET bez ugrađenog kanala b) MOSFET s ugrađenim kanalom Slika 189. Simboli MOSFET-a Prijenosna karakteristika MOSFET-a također se približno može prikazati jednadžbom: ( ) ID = K / 2 UGS UGS0 gdje je K konstanta MOSFET-a, U GS0 napona praga. Iz nagiba prijenosne karakteristike može se odrediti parametar strmina g m tranzistora, kao i otpor izvoda r d, koji se kao i kod spojnog tranzistora s efektom polja određuju iz izraza:. promjena I D I D gm =, kada je napon U DS konstantan, ili gm = promjena U GS U, a UDS = const. GS promjena U DS U DS rd =, kada je napon U GS konstantan, ili rd = UGS = const.. promjena I I D Pojačalo s unipolarnim tranzistorom Pojačalo sa spojnim tranzistorom s efektom polja u spoju zajedničkog izvora (S) prikazano je slikom 190. Slika 190. Pojačalo s FET-om u spoju zajedničkog izvora 2 D Iz slike je, po smjeru strelice na simbolu tranzistora, vidljivo da se radi o tranzistoru s kanalom N tipa. Kada nema ulaznog izmjeničnog signala, kroz tranzistor teče istosmjerna struja I D, a između izvoda i izvora postoji istosmjerni napon U DS. Istosmjerni napon između upravljačke elektrode (G) i izvora (S) U GS jednak je naponu -U G, ako se zanemari ekstremno mala struja upravljačke elektrode. Pad napona na R L jednak je I D R L, a kondenzator C 1 i otpornik R G služe za odvajanje izvora ulaznog signala od pojačala, isto kao i kondenzator C 2 za odvajanje pojačala od potrošača. Za izlazni krug pojačala vrijedi: 78

9 U DD U DS U DS =U DD -I D R L iz čega slijedi: I D = R L R L Ekvivalentni strujni krug za izmjenični signal na ulazu pojačala prikazan je slikom 191, pri čemu se koristi ekvivalentna shema tranzistora s efektom polja (slika 185). Pomoću tog ekvivalentnog kruga izvode se izrazi za naponsko pojačanje, ulaznu i izlaznu impedanciju. Slika 191. Ekvivalentni strujni krug pojačala s FET-om za izmjenični signal Uz r d >>R L, što je najčešći slučaj, naponsko pojačanje je: Ui ID RL gm Uu RL AV = = = gmrl U u U u U u Pri niskim i srednjim frekvencijama izlazna impedancija je: Zi = RL rd rd Za visoke frekvencije moraju se uzeti u obzir parazitni kapaciteti između elektroda. Ulazna impedancija pojačala predstavlja paralelan spoj R G i R GS, pa se zbog toga što je R GS obično puno veće od R G može ulazna impedancija izraziti: Z u R G. ZADATAK 1: N-kanalni spojni FET u pojačalu na slici 192 ima slijedeće parametre: I DSS =8mA, U P =4V, µ=200. Odrediti statičku radnu točku i pojačanje A V =u iz /u ul te ulazni i izlazni otpor sklopa. Zadano je: U DD =50V R g =10kΩ R D =10kΩ R P =15kΩ R G =1MΩ R S =500Ω Da bi odredili statičku radnu točku potrebno je pronaći U DSQ, U GSQ, I DQ. Slijedi: iz izlaznog dijela sklopa: U DSQ =U DD -I DQ (R D +R S ) (1) iz ulaznog dijela sklopa: U GSQ +I D R S =-I G R G =0 I D =-U GSQ /R S (2) jednadžba FET-a: I D =I DSS (1+U GSQ /U P ) 2 (3) gdje je: I DSS struja odvoda u području zasićnja pri naponu U GS =0 U P napon praga. Struja I G =0 iz razloga što je ulazni otpor FET-a vrlo velik. Uvrstivši (2) u (3) slijedi: U 2. GSQ I DSS /U 2 P +U GSQ (2. I DSS /U P +1/R S )+I DSS =0 Kao rješenja ove kvadratne jednadžbe po U GS slijede U GSQ1 =-10.5V i U GSQ2 =-1.5V. Prema prijenosnoj karakteristici na slici 193 slijedi kao moguće rješenje za radnu točku U GSQ =-1.5V. 79

10 U DD R D C G I G =0 C P U DSQ R g u g R ul R G Slika 192. Iz (3) slijedi I DQ = (1+(-1.5)/4) 2 =3mA Iz (1) dobiva se U DSQ = ( )=18.5V -4 u ul I DQ U GSQ =-1.5 U GSQ Slika 193. Prijenosna karakteristika n kanalnog spojnog FET-a Dinamički parametri se izračunavaju iz podataka u statičkoj analizi: di D 2I DSS U GS gm = = ( 1+ ) -strmina se dobiva kao parcijalna derivacija du GS U P U P struje po naponu u statičkoj radnoj točki. g m = /4. (1+(-1.5)/4)=2.5mA/V Relacija g. m r d =µ poznata je kao Barkhausenova relacija i vrijedi kod svih realnih naponom upravljanih elektroničkih elemenata pa tako i kod FET-a, gdje je µ-faktor pojačanja, r d -dinamički otpor. Slijedi r d =µ/g m =200/ =80kΩ. 0 R S I D /ma U GS /V R izl R P u iz Nadomjesni sklop FET-a prikazan je na slici

11 D i d D G G r d g m U gs r d µu gs U iz S S Slika 194. Nadomjesni sklop sa strujnim Nadomjesni sklop s naponskim izvorom u izlaznom krugu izvorom u izlaznom krugu Nadomjesni sklop pojačala u režimu malih signala prikazan je na slici 195. U g R g R ul u ul R G Slika 195. Nadomjesni sklop pojačala Naponsko pojačanje A V =u iz /u ul =u iz /i. d i d /u ul u iz =-i d (R D R P ) i d =µu gs /(R S +r d +(R D R P )) u gs =u ul -i d R S i d /u ul =µ/((1+µ)r S +r d +(R D R P )) RD RP µ RD + RP AV = =-6.43 RD RP ( 1+ µ ) RS + rd + RD + RP R ul =R G =1MΩ G D S g m U gs R S i d r d R D R P R iz u iz Izlazni otpor sklopa određuje se tako da se odspoji potrošač i na njegovo mjesto umetne idealni naponski izvor, te odredi omjer napona tog izvora i struje koju vuče sklop gledano s izlaznih priključnica (slika 196). 81

12 µu gs r d i u gs =-i d R S R iz =u/i=r D u/i ) d ) u=i d (R S +r d )-µu gs u=i d (R S +r d )+µi d R S R iz =R D (R S (1+µ)+r d )=9.5kΩ R D u R S Slika 196. Određivanje izlaznog otpora sklopa ZADATAK 2: Odredite statičku radnu točku sklopa na slici 197. MOSFET ima slijedeće parametre: K=1.25mA/V 2, U GS0 =1V. Zadano je: U DD =20V R 1 =16kΩ R 2 =4.3kΩ R D =3.5kΩ R S =500Ω R 1 I G =0 R 2 U GSQ U DD R D R S I D /ma I DQ 0 U GS0 U GSQ U GS /V Slika 197. Slika 198. Prijenosna karakteristika n kanalnog MOSFET-a obogaćenog tipa 82

13 U DD R 1 I G =0 I G =0 R 2 FET U GG Slika 199. Nadomještanje ulaznog dijela sklopa po Thevenenu R GG =(R 1 R 2 )=3390Ω U GG =U. DD R 2 /(R 1 +R 2 )=4.23V Obzirom da je ulazni otpor FET-a vrlo velik struja I G =0 te vrijedi slijedeća relacija: U GG =U GS +I. D R S K 2 Jednadžba MOSFET-a glasi I D = ( U GS U GS0) gdje je: K-konstanta MOSFET-a, 2 U GS0 -napon praga,u GS -napon između kontrolne elektrode i uvoda, I D - struja odvoda. Za statičku analizu vrijedi: I DQ =K/2. (U GSQ -U GS0 ) 2 U GG =U GSQ +I. DQ R S što nakon uvrštavanja daje U GSQ1 =3V i U GSQ2 =-4,2V, ali prema prijenosnoj karakteristici na slici 198 kao rješenje slijedi U GSQ =3V i I DQ =2.5mA Za izlazni dio sklopa vrijedi jednadžba: U DSQ =U DD -I. DQ (R D +R S ) U DSQ = ( )=10V ZADATAK 3: Za JFET u sklopu pojačala sa zajedničkim uvodom na slici 200 zadana je izlazna karakteristika prema slici 201. Odredite vrijednosti otpora R D i R S tako da radna točka ima slijedeće parametre U GSQ =-2V, U DSQ =15V, I DQ =3.5mA. Ucrtajte statički i dinamički radni pravac. Nacrtajte shemu za režim malog signala te odredite A vg =u iz /u g. Zadano: U DD =30V R G =1MΩ C R g =500Ω µ=200 g m =2.35mA/V Na slici je prikazan n kanalni spojni FET. Iz izlaznog dijela kruga slijedi jednadžba statičkog radnog pravca: U DD =U DSQ +I DQ (R D +R S ) (1) Prema slici 201 točka 1 ima koordinate (0,U DD /R D +R S ), točka 2 (U DD,0). R GG 83

14 i d R g U DD R D U g R G R S C S Slika 200. Obzirom da je struja upravljačke elektrode približno nula zbog velikog ulaznog otpora FET-a slijedi: U GSQ =-I DQ R S (2) Iz jednadžbe: (2) R S =U GSQ /I DQ =-(-2)/ =572Ω (1) R D +R S =(U DD -U DSQ )/I DQ =4.3kΩ R D =3728Ω I DQ = i D /ma Slika 201. Radni pravac u polju izlaznih karakteristika Da bismo nacrtali nadomjesnu shemu za režim malog signala potrebno je odrediti dinamički otpor r d =µ/g m =200/ =85kΩ R g 10 U GSQ =15 20 G 28 2 U GS =0V -1V -2V -3V -4V 30 u DS /V D i d dinam.r.p. statič.r.p. U g u ul R G g m U gs r d R D u iz S A vg =u iz /u. ul u ul /u g u iz =-g m U. gs (r d R D ) u ul =U gs u iz /u ul =-g m (r d R D ) u ul /u g =R G /(R G +R g ) A vg =-g. m (r d R D ). R G /(R G +R g )=-8,4 84

15 7.2. BIPOLARNI TRANZISTORI Bipolarni tranzistor je sastavljen iz kompaktne cjeline dva PN spoja, tako da se između dva prijelazna područja PN spoja nalazi poluvodički sloj koji je zajednički za oba PN spoja. Ako je taj zajednički sloj od materijala N tipa, radi se o bipolarnom tranzistoru PNP tipa, a kod NPN tipa taj je sloj iz materijala P tipa, kako je to prikazano slikom 202. Slika 202. Struktura i simboli oba tipa bipolarnih tranzistora Zajednički sloj naziva se baza (B), a vanjski slojevi emiter (E) i kolektor (C). Simbol tranzistora PNP tipa je različit od NPN tipa po smjeru strelice koja se nalazi na emiterskom kraju. Dogovorom se uzima, da je smjer struje pozitivan kada ona teče u tranzistor. Ako na krajevima tranzistora nema priključenog napona, sve su struje jednake nuli. Na PN spojevim oformljuju se energetske barijere kao kod PN dioda, pa ako se promatra simetričan (iako je u praksi nesimetričan) tranzistor ( područje emitera i kolektora identične fizičke dimenzije i koncentracije primjesa), onda dvije energetske barijere imaju iste vrijednosti q 0 U 0, kako je to prikazano slikom 203. Slika 203. Tranzistor PNP tipa bez polarizacije i energetske razine 85

16 Priključkom napona na tranzistor (slika 204) PN spojevi se polariziraju i to: emiterski PN spoj u propusnom smjeru, a kolektorski u nepropusnom smjeru. Slika 204. Normalno polarizirani PNP tranzistor s energetskim razinama Energetska barijera na emiterskom PN spoju je snižena za q 0 U EB, gdje je U EB napon polarizacije emiterskog spoja u propusnom amjeru, dok će se na kolektorskom spoju povećati za q 0 U CB, gdje je U CB napon polarizacije kolektorakog PN spoja u nepropusnom smjeru. Kako je emiterski PN spoj polariziran u propusnom smjeru, struja većinskih nosilaca teče preko ovog spoja. Emiter i kolektor sadrže šupljine kao većinske nosioce, dok baza N tipa sadrži elektrone kao većinske nosioce (slika 205). Slika 205. Struktura struja u normalno polariziranom PNP tranzistoru 86

17 Zbog polarizacije emiterskog PN spoja u propusnom smjeru emitersko područje emitira (stoga naziv emiter ) šupljine u prostor baze, gdje predstavljaju manjinske nositelje. U prostor baze se u istom omjeru ubacuju većinski nosioci - elektroni, kako bi se očuvala električna neutralnost baze. Jedan dio šupljina ubaćenih u područje baze iz emitera, rekombinira se s elektronima koji se nalaze u bazi kao većinski nosioci. Gubitak ovih elektrona zbog rekombinacije se nadoknađuje elektronima iz vanjskog izvora U CC (kojim je emiterski PN spoj polariziran u propusnom smjeru). Kako je vrijeme života manjinskih nosilaca u bazi relativno dugačko i ako je širina baze, odnosno dužina puta od emiterskog do kolektorskog područja dovoljno mala, što se konstrukcijom tranzistora efikasno postiže, relativno veliki broj šupljina emitiranih iz emitera u bazu dolazi do kolektorskog PN spoja. Za manjinske nosioce - šupljine koje prelaze bazu, nepropusna polarizacija kolektorskog spoja predstavlja propusni smjer, tako da šupljine stižu u područje kolektora, gdje se skupljaju i predstavljaju većinske nosioce. Ovo skupljanje je znakovito za kolektor (od eng. collect - skupljati). Struja ovih šupljina, koje potiču iz emitera, predstavlja glavninu struje kolektorskog PN spoja polariziranog u nepropunom smjeru. Manji dio kolektorske struje čine vlastiti manjinski nosioci kolektorskog PN spoja, tako da se pristizanje šupljina u kolektor kompenzira pristizanjem istog broja elektrona iz vanjskog izvora u obliku kolektorske struje I C. Njihovom rekombinacijom u području kolektora održava se električna ravnoteža ovog područja. Šupljine koje se emitiraju u bazu se kompenziraju odlaskom istog broja elektrona iz emitera u vanjski krug prema izvoru napajanja u obliku emiterske struje I E, te se na taj način održava ravnoteža. Sliačan proces kretanja nosilaca naboja se odigrava i kod tranzistora NPN tipa, kada je u području normalne polarizacije, kao je to prikazano slikom 206. Slika 206. Struktura struja u normalno polariziranom NPN tranzistoru Kada se na krajeve emiterskog PN spoja, polariziranog u propusnom smjeru, malo mijenja napon U BE dolazi do male promjene struje baze, ali to dovodi do znatnog povećanja emisije manjinskih nosilaca u području baze, a time i do znatnog povećanja kolektorske struje I C, pri znatnom izlaznom naponu U CE, što na kraju ima za posljedicu znatno povećanje emiterske struje I E. To znači da se malom ulaznom snagom upravlja velikom izlaznom snagom, ako se na izlazu priključi odgovarajući omski potrošač. 87

18 Ako se u ulaznom krugu isključi napon polarizacije U BE, odnosno otvori ulazni krug, a ostavi napon polarizacije U CB, pokazati će se da kroz inverzno polarizirani kolektorski PN spoj teče inverzna kolektorska struja I CB0. Ona teče u istom smjeru u kojem teče struja nosilaca koji potiču iz emitera i preko baze difundiraju u područje kolektora i koja predstavlja glavninu kolektorske struje I C. Iz uvjeta da je zbroj svih struja, sa slike 206, koje teku u tranzistor jednaka nuli slijedi: I B +I C +I E =0, a kako je kolekrorska struja jednaka: I C =-I pc +I nc, emiterska struja je: I E =I pe +I ne, a uvođenjem faktora strujnog pojačanja α= I pc za spoj zajedničke baze slijedi da je kolektorska struja: IE I C =-αi E +I CB0. U spoju zajedničkog emitera se tako dobiva izraz: a ICB0 I I, pa zamjenom 1 α = β i I CB0 = I dobiva se izraz: C = B 1 a + 1 a α 1 α I C =βi B +I CE0, gdje je β - faktor strujnog pojačanja u spoju zajedničkog emitera, a I CE0 - reverzna struja zasićenja u istom spoju. Kako je α vrlo blizu jedinici, faktor strujnog pojačanja β može biti i nekoliko stotina. U analizi rada tranzistora najčešće se umjesto simbola α upotrebljava h FB, a umjesto β h FE Karakteristike bipolarnih tranzistora Promatrajući tranzistor kao četveropol i parametre koji utjeću na njegov rad mogu se postaviti četiri vrste karakteristika: ulazna, izlazna, prijenosna i povratna. Kao što je poznato tranzistor se može spojiti u tri osnovna spoja: zajedničkog emitera, zajedničke baze i zajedničkog kolektora. Za uporabu tranzistora kao pojačala najčešće se koristi spoj zajedničkog emitera, a za određivanje karakteristika tranzistora u tom spoju koristi se strujni krug prikazan slikom 207. Slika 207. Strujni krug za određivanje karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog emitera CE0 Za određivanje ulazne karakteristike tranzistora promatra se kako ulazna struja I B ovisi o ulaznom naponu U BE, pri konstantnom izlaznom naponu U CE. Ova karakteristika objašnjava kako će se opteretiti izvor signala, ako se spoji na ulazni krug. Ovisnost ulazne struje I B o ulaznom naponu U BE prikazan je ulaznom karakteristikom na slici

19 Slika 208. Ovisnost struje I B =f(u BE ) uz U CE =const. (ulazna karakteristika) Izlazne karakteristike pokazuju ovisnost između izlazne struje I C i izlaznog napona U CE, a daju se ili uz konstantan ulazni napon U BE ili ulaznu struju I B. Ove karakteristike najčešće se upotrebljavaju, jer daju informaciju o ponašanju tranzistora. Na izlaznoj karakteristici mogu se opaziti tri područja rada tranzistora: 1 područje zapiranja ili prekida, 2 aktivno područje i 3 područje zasićenja (slika 209). 3 2 Slika 209. Ovisnost struje I C =f(u CE ) uz I B =const. (izlazne karakteristike) U području zapiranja oba PN spoja su polarizirana u nepropusnom smjeru, pa kroz tranzistor teku samo male struje. Za primjenjene napone tranzistor pruža veliki otpor. U aktivnom području emiterski PN spoj je polariziran u propusnom smjeru tako da emiter emitira u područje baze manjinske nosioce koje kolektorski PN spoj skuplja. U području zasićenja oba PN spoja su polarizirana u propusnom smjeru, tako da oba PN spoja u područje baze emitiraju manjinske nosioce ali nasuprot jedan drugom, pri čemu kolektorska struja ostaje konstantna čak i pri većoj baznoj struji ili naponu U BE. Između kolektora i emitera djeluje napon zasićenja, pa tranzistor pruža mali otpor priključenom naponu. Iz karakteristika, može se vidjeti da postoji beskonačan broj mogućih stanja tranzistora, ako se pod stanjem podrazumjeva odnos napona i struje na njegovim krajevima. 89 1

20 Ako se analizira pojačalo s bipolarnim tranzistorom može se vidjeti da je stanje istosmjernog napona i struje tranzistora opisano radnom točkom. Pod radnom točkom podrazumjeva se točka koja predstavlja stanje napona i struja na izvodima tranzistora bez priključenog signala na ulazu pojačala. Radna točka leži na radnom pravcu koji je temelj za proučavanje struja i napona u određenom strujnom krugu. Stoga se radni pravac crta u istom koordinatnom sustavu zajedno s izlaznim karakteristikama tranzistora (slika 210). Slika 210. Karakteristike tranzistora s ucrtanim radnim pravcem Kada na ulazu pojačala djeluje promjenjivi signal, naponi i struje na krajevima tranzistora ne ostaju više na vrijednostima određenim radnom točkom, već se mijenjaju po dinamičkom pravcu u ritmu ulaznog signala Ekvivalentni strujni krug tranzistora Promatra li se tranzistor u sva tri moguća spoja može ga se zamijeniti s četveropolom. Kod analize tranzistora kao aktivnog linearnog četveropola, pri čemu je jedan kraj tranzistora zajednički za ulazni i izlazni par priključnica, pojmovi režima rada u praznom hodu i režima rada u kratkom spoju odnose se samo na promjenjive komponente struje i napona. Za određivanje značajki takvog četveropola najčešće se primjenjuju hibridni parametri. Prema poznatoj teoriji četveropola hibridni parametri se označavaju: h 11 =h i h 12 =h r h 21 =h f h 22 =h o -ulazni parametar (eng. input) -povratni parametar (eng. reverse) -parametar pojačanja (eng. forward) -izlazni parametar (eng. output) Ovisno o spoju uz oznaku indeks oznake h parametra dodaje se oznaka zajedničke elektrode. 90

21 Ekvivalentna shema bipolarnog tranzistora za mali signal prikazana je slikom 211. Slika 211. Nadomjesna shema bipolarnog tranzistora ZADATAK 1: Odredite otpore R 1 i R 2 da bi se ostvario maksimalni hod kolektorske struje. Zadano je:u cc =15V, R P =1kΩ, R E =0.5kΩ, β=100 (faktor istosmjernog pojačanja) R 1 R 2 I BQ I CQ U BEQ I EQ R P U CEQ R E Da bi tranzistor radio kao pojačalo u normalnom aktivnom području moraju biti zadovoljena dva uvjeta: 1. spoj emiter-baza propusno polariziran 2. spoj kolektor baza nepropusno polariziran. U našem primjeru prikazan je NPN bipolarni tranzistor za koji vrijedi da je U BEQ =0.7V uz označen polaritet. Iz izlaznog dijela sklopa dobiva se jednadžba statičkog radnog pravca: U CEQ =U CC -I. CQ R P -I. EQ R E gdje su I EQ -struja kroz emiter i I CQ -struja kroz kolektor u statičkoj analizi kojom pronalazimo statičku radnu točku. Za tranzistor vrijedi I EQ =I CQ +I BQ I CQ =βi BQ Obzirom da je β>>1 slijedi I EQ =I CQ tako da jednadžba statičkog radnog pravca ima oblik U CEQ =U CC -I. CQ (R P +. R E ) Statički radni pravac ucrtavamo zajedno sa izlaznim karakteristikama tranzistora. Uvjet za maksimalni hod kolektorska struje je da radna točka bude na sredini dinamičkog radnog pravca. U našem primjeru nema reaktivnih komponenata te su dinamički i statički pravac isti. 91 U cc Slika 212. Pojačalo s bipolarnim NPN tranzistorom

22 i C /ma Nagib statičkog radnog pravca je -1/(R P +R E ) I B =150µA I B =100µA I CQ =5mA Slika 213. Radni pravac u polju izlaznih karakteristika Sa slike 213 očitavamo U CEQ =U CC /2=15/2=7.5V I CQ =(U CC -U CEQ )/(R P +R E )=7.5/1500=5mA Sa slike također očitavamo I BQ =50µA što možemo provjeriti i analitički iz izraza I BQ =I CQ /β=0.005/100= A. Za određivanje bilo kojeg parametra ulazni dio sklopa se nadomješta po Thevenenu (slika 214) U BB =U. CC R 2 /(R 1 +R 2 ) R BB =R. 1 R 2 /(R 1 +R 2 ) Obzirom da se u našem primjeru traže otpori R 1,R 2 slijedi: R 1 =R. BB U CC /U BB R 2 =R BB /(1-U BB /U CC ) R 1 I BQ R 2 U BEQ I EQ 0 R E 5 U cc U CEQ =7.5V U BB R BB I BQ U BEQ I EQ Slika I B =50µA I B =25µA u CE /V R E Prema slici 214 slijedi: U BB =I BQ R BB +U BEQ +I EQ R E =I EQ /(1+β). R BB +U BEQ +I EQ R E I EQ =(U BB -U BEQ )/(R E +R BB /(1+β))=I CQ Parametar β mijenja se u masovnoj proizvodnji tranzistora kod tranzistora istog tipa u širokom rasponu iznosa, npr.između 100 i 300 te nastojimo da karakteristika sklopa što manje ovisi o tom parametru. Iz tog razloga treba R E >>R BB /(1+β) R BB <<R E (1+β) U praksi je dovoljno pretpostaviti R BB =0.1(R E (1+β)) 92 R E

23 R BB = =5050Ω R 1 = /3.45=21900Ω U BB =3.45V R 2 =5050/(1-0.23)=6550Ω ZADATAK 2: Odredite statičku radnu točku sklopa prema slici 215. Pretpostavite da je frekvencija ulaznog signala takva da kondenzatori predstavljaju kratki spoj. Zadano: R C =1kΩ R E =0.5kΩ R P =1kΩ β=100 U CC =15V a) statička analiza Frekvencija ω=0 1/ωC=, kondenzatori predstavljaju otvoreni kraj Budući da je β=100>>1 slijedi I CQ =I EQ Uzevši u obzir ova dva uvjeta iz izlaznog dijela sklopa slijedi prema slici 215 jednadžba statičkog radnog pravca na kojem leži statička radna točka: U CEQ =U CC - I CQ (R C +R E ) (1) u ul b) dinamička analiza u ul R 1 R 2 R E R BB I BQ I CQ I EQ R C U CEQ i c u ce C C C E R C U CC R P R P Slika 215. Slika 216. R BB =R. 1 R 2 /(R 1 +R 2 ) Iz izlaznog dijela sklopa prema slici 216 dobiva se jednadžba dinamičkog radnog pravca: u ce =-i. c R. C R P /(R C +R P ) i c =-u ce (R C +R P )/R. C R P 93

24 Statička radna točka mora se nalaziti na statičkom i dinamičkom pravcu, a obzirom da su to različiti pravci jer u krugu postoje reaktivne komponente moramo naći presjek pravaca. Dinamički pravac može se napisati kao: i C -I CQ =-(u CE -U CEQ ). (R C +R P )/R. C R P gdje je: i C -ukupna struja I CQ -istosmjerna komponenta struje u CE -ukupni napon U CEQ -istosmjerna komponenta napona Za točku 1 vrijedi u CE =0 i C =2I CQ (za maksimalni hod kolektorske struje radna točka treba biti na polovici dinamičkog radnog pravca) te se dobiva : I CQ =U. CEQ (R C +R P )/R. C R P (2) Iz jednadžbi (1) i (2) slijedi: U CC U CEQ = RC + RP RC + RE 1 + ( )( ) RCRP U CC I CQ = RCRP RC + RE + RC + RP U CEQ =3.75V I CQ =7.5mA Isti rezultat bi se dobio grafičkim postupkom prema slici 217: 5 Slika 217. ZADATAK 3: Odredite h parametre za sklop prema slici 218. Zadano je: R 1 =2Ω, R 2 =6Ω, R 3 =4Ω u i 1 i C (ma) Q R 2 R 1 R 3 i C =u. CE (R C +R P )/R C R P -pomo}ni pravac 10 i 2 statički radni pravac dinamički radni pravac u 2 15 u CE (V) Slika 218. Prema definiciji jednadžbe četveropola pomoću h-parametara glase: U 1 =h 11. I 1 +h 12. U 2 I 2 =h 21. I 1 +h 22. U 2 94

25 U1 RR 1 2 h 11 = = = 1500Ω I1 R + R U 2= U1 R1 h 12 = = = 0.25 U 2 R + R I1= I2 R1 h 21 = = = I1 R + R U 2= I 2 R1 + R2 + R3 h 22 = = = 0.375S U ( R + R ) R 2 I1= ZADATAK 4: Tranzistor u pojačalu (spoj zajedničkog emitera) sa slike 219 ima slijedeće parametre: β=h fe =100 h oe =10µS h re =10-4, parametar h ie odredite iz statičke analize. a) nacrtajte nadomjesni sklop pojačala za mali signal s h e parametrima b) odredite ulazni i izlazni otpor uz h re,h oe =0 c) izračunajte strujno pojačanje A I =i iz /i ul uz h re,h oe =0 R g u g i ul u ul R ul C G R 1 R 2 Zadano je: U CC =24V R 1 =50kΩ R 2 =10kΩ R C =3.8kΩ R E =2.2kΩ R P =1kΩ Kondenzatori predstavljaju kratki spoj na frekvenciji izmjeničnog signala. U analizi pojačala za mali signal koristimo se teoremom superpozicije te promatramo statiku (kojom određujemo parametre tranzistora) i dinamiku. Statička analiza Prema slici 220 slijedi: I BQ I CQ I EQ R C U CEQ R E C C C E i iz R iz R BB =R 1. R 2 /(R 1 +R 2 )=8.33kΩ U BB =U CC. R 2 /(R 1 +R 2 )=4V U CC R P u iz Slika

26 U cc Nadomjesni sklop tranzistora za mali signal prikazan je na slici 221. B E Slika 221. Hibridni nadomjesni sklop bipolarnog tranzistora Nadomjesna shema pojačala za naš primjer prikazana je na slisi 222, gdje su istosmjerni izvori kratko spojeni. U g R g R 1 R 2 h ie I BQ I CQ U BEQ I EQ h re U ce R C U CEQ R E I BQ =(U BB -U BEQ )/(R BB +(1+β)R E I BQ =14.3µA h ie =m. U T /I BQ =0.025/ h ie =1.75kΩ Slika 220. Nadomjesna shema za statičku analizu h fe I b i ul u ul B R BB h ie i b h re u ce h fe i b C h oe C h oe R C i iz R P u iz R ul Slika 222. Nadomjesni sklop pojačala b) ulazni i izlazni otpor Slijedi prema slici 222: R ul =R. BB h ie /(R BB +h ie )=1450Ω,uz h re =0 R iz =R C =3800Ω 96 E R iz

27 c) strujno pojačanje A I =i iz /i ul A I =i iz /i. b i b /i ul -jer se struja i b javlja u ulaznom i izlaznom dijelu sklopa. Izlazni dio sklopa: u iz =i. iz R P u iz =-h fe i b (R P R C ) i iz /i b =-h fe (R P R C )/R P Ulazni dio sklopa: (i ul -i b )R BB =h ie i b i b /i ul =R BB /(R BB +h ie ) iiz ib RBB RC A I = = h fe =-65.4 i i R + h R + R b ul BB ie C ZADATAK 5: Za pojačalo prema slici 223 (spoj zajedničkog kolektora) izračunajte ulazni otpor pojačala, strujno A I =i iz /i ul i naponsko pojačanje A V =u iz /u ul. R g u g i ul u ul R ul C G R 1 R 2 I BQ I CQ U BEQ I EQ Zadano: U CC =25V R 1 =65kΩ R 2 =10kΩ R C =2kΩ R E =1kΩ R P =1kΩ β=h fe =100 C G,C E,C C P R C Iz statičke analize slijedi: R BB =R. 1 R 2 /(R 1 +R 2 )=8.67kΩ U BB =U CC R 2 /(R 1 +R 2 )=3.33V U BB =I BQ R BB +U BEQ +(β+1)i BQ R E I BQ =24µA h ie =U T /I BQ =0.025/ =1040Ω Prema slici 224 slijedi: u ul =i b h ie +(1+h fe )i b (R E R P ) 1 i u ul =(i ul -i b )R ul iul ib ib BB = = + Rul uul uul uul 1/R ul =1/R BB + 1/(h ie +(1+h fe )(R E R P )) R ul =7420Ω R E U CEQ C E i iz C C R P U CC Slika 223. u iz 97

28 i ul B h ie E i iz R G i b u g u ul R BB h fe i b R E R P u iz R ul. Slika 224. A I =i iz /i ul =i iz /i b i b /i ul i iz /i b =R E (1+h fe )/(R E +R P ) i b /i ul =R BB /(R BB +h ie +(1+h fe )(R E R P )) A I =7.28 A V =u iz /u ul =i iz R P /i ul R ul =A I R P /R ul =0.98 C R iz 98