TRANZISTORY STU FEI.

Transcript

1 1 TRANZSTORY STU F lubica.stuchlíkova@stuba.sk

2 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 2 Definícia Tranzistor (Transfer resistor ) - trojelektródový polovodičový prvok, ktorý sa používa na zosilňovanie, spínanie alebo generovanie elektrického signálu Transfer resistor výstup funkcia tranzistora určitá transformácia odporu zo vstupu na

3 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 3 Základné delenie tranzistorov bipolárne tranzistory T - pracujú na princípe injekcie a extrakcie voľných nosičov náboja v polovodiči - na základnom mechanizme činnosti T sa podieľajú oba typy nosičov náboja: elektróny aj diery unipolárne tranzistory UT - pracujú na princípe zmeny elektrickej vodivosti kanála pomocou priečneho elektrického poľa - na základnom mechanizme činnosti UT sa podieľa len jeden typ náboja: majoritný (väčšinový)

4 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 4 ipolárny tranzistor

5 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. Objav storočia ipolárny tranzistor Princíp T 5 Teória T 1. hrotový T oficiálne predstavený Nobelova cena za fyziku ellove laboratória Mauntain Avenue, Murray Hill v New Yorku

6 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 6 Konštrukcia T T - tvoria tri oblasti rôzneho typu vodivosti usporiadané za sebou v jednom monokryštáli polovodiča (npn( npn, pnp) Každá oblasť emitor (), báza () i kolektor () má vyvedenú elektródu ohmickým (vodivým) kontaktom vrstva SiO 2 n Si n Si p Si Krajné oblasti emitor a kolektor - nie sú navzájom vodivo prepojené - sú dotované prímesami rovnakého typu - emitor je najvyššie dotovaná a kolektor najnižšie dotovaná oblasť T Stredná oblasť báza -je veľmi tenká, rádovo 1 µm - vysoko dotovaná

7 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 7 Typy T (podľa usporiadania typu vodivosti jednotlivých oblastí) T T p pnp n npn n µm p µm p n a) b) Prierez štruktúry a schematické značky T typu a) pnp b) npn

8 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 8 Fyzikálna podstata tranzistorového javu využíva vlastnosť priepustne polarizovaného pn priechodu injektovať voľné nosiče náboja z emitora do bázy, prenos nosičov cez bázu a extrakciu injektovaných nosičov z bázy kolektorom cez záverne polarizovaný pn priechod do výstupného obvodu

9 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 9 Režim činnosti T 2 pn priechody 4 možné kombinácie polarizácií Nevodivý režim oba pn priechody sú polarizované záverne. Tranzistorom prechádzajú len zvyškové zväčša zanedbateľné prúdy Nasýtený režim oba pn priechody sú polarizované priepustne. Tranzistorom prechádzajú pomerne veľké konštantné prúdy (saturovaný stav, saturácia tranzistora) Aktívny režim vstupný pn priechod je zapojený priepustne a výstupný záverne. Je to pracovné zapojenie, tranzistorom tečú pracovné prúdy nverzný režim nverzný režim vstupný pn priechod je polarizovaný záverne a výstupný priepustne. Funkcie vstupného a výstupného, emitorového a kolektorového obvodu sú zamenené

10 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 10 Základné spôsoby zapojenia T T má len tri elektródy T je možné zapojiť ako dvojbránu tromi rôznymi spôsobmi podľa toho, ktorá elektróda je spoločná pre vstup aj výstup S S S U i npn R U o U i npn R U o U i npn R U o

11 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 11 Tranzistor ako dvojbrána i o vstup input i U i bipolárny tranzistor U o výstup output o Vonkajšie správanie sa dvojbrány, teda súvis vstupných a výstupných napätí a prúdov, môžeme opísať pomocou sústav charakteristík V-A harakteristika vyjadruje závislosť jednej veličiny od druhej Vstupné charakteristiky i f (U i ) pri U o konšt. Výstupné charakteristiky o f (U o ) pri i konšt. Priame prevodové charakteristiky o f (U i ) pri U o konšt Spätné prevodové charakteristiky U i f ( o ) pri i konšt

12 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 12 Fyzikálny princíp činnosti T S Nesymetrický pn priechod vysoko dopovaný nízko dopovaný viac minoritných nosičov je injektovaných do nižšie dopovanej časti - do bázy vzdialenosť, do ktorej sú nosiče injektované je difúzna dĺžka L D

13 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 13 Fyzikálny princíp činnosti pnp T S Do blízkosti pn priechodu - umiestnime druhý záverne polarizovaný pn priechod -, tak aby difúzna dĺžka L D bola väčšia ako šírka bázy w väčšina injektovaných nosičov z emitora do bázy preletí cez bázu do kolektora, len malá časť injektovaných (minoritných) nosičov v báze zrekombinuje bázový prúd

14 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 14 Zložky bázového prúdu - príspevky objemová rekombinácia v emitore objemová rekombinácia v báze nárazová ionizácia v OPN - tepelná generácia v celom objeme rekombinácia na kontakte bázy rekombinácia na povrchu bázy

15 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 15 Fyzikálny princíp činnosti pnp T ináč S V aktívnom režime je dióda polarizovaná priepustne tečie ňou relatívne veľký prúd vo vnútri polovodiča dochádza k injekcii dier z emitora do báze všetky minoritné nosiče diery v báze musia pnp zrekombinovať pn priechod je pre ne záverne polarizovaný tečie prúd v slučke SL1 p..... Sl 2 OPN R - U Sl n OPN - U Sl n..... OPN - U p p Sl 2 a) b)

16 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 16 Fyzikálny princíp činnosti T ináč S záverne polarizovaný pn priechod v blízkosti priepustne polarizovaného - U njekcia dier z oblasti p (emitor) do oblasti n (báza) minoritné (injektované) diery v báze prechádzajú cez záverne polarizovaný pn priechod - -sú vťahované elektrickým poľom v pnp OPN Dominantná zložka prúdu sa cez pn priechod - presúva do slučky SL2 jej veľkosť závisí od polarizácie U Sl n p OPN - U Sl 1 p n..... Sl 2 OPN p Sl 2 OPN R - U a) b)

17 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 17 Fyzikálny princíp činnosti npn T ináč S Princíp činnosti bipolárneho tranzistora typu npn v zapojení S a) dióda emitor báza b) tranzistor s naznačeným tokom voľných elektrónov spôsobujúcich tranzistorový jav npn n R U - Sl 1 p n U - Sl 1 p n Sl 2 - U a) b)

18 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 18 Rozpis prúdov na elektrónové a dierové zložky Prirodzenou vlastnosťou T je, že na prenose prúdu sa zúčastňujú oba typy nosičov náboja, elektróny aj diery prúdy elektród tranzistora sa dajú vyjadriť v elektrónových a dierových zložkách prúdov cez pn priechody jednotlivých oblastí tranzistora p n p p p p n n n p n

19 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 19 Prúdový zosilňovací činiteľ α T v zapojení S vyjadruje prenos prúdu cez tranzistor z emitora do kolektora pri konštantnom napätí na kolektore α U konst. vyjadrime prúdy v elektrónových a dierových zložkách α p p n n p p n n n n α p n n n n p n n γ α T α

20 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 20 Prúdový zosilňovací činiteľ α T v zapojení S α γ α T α kvantitatívne vystihuje fyzikálne procesy v tranzistore opísané v predchádzajúcej časti γ je účinnosť emitora (injekčná alebo emisná účinnosť) vyjadrujúca pomer prírastku elektrónového prúdu emitora k celkovému prírastku emitorovému prúdu. Účinnosť emitora npn tranzistora je blízka ale menšia ako 1. α T je bázový prenosový činiteľ (transportný činiteľ). Vyjadruje aký podiel injektovaných elektrónov z emitora do bázy sa dostane až ku kolektoru. V oblasti bázy sú injektované nosiče elektróny minoritnými, preto ľahko rekombinujú s majoritnými dierami. α je kolektorový zosilňovací činiteľ. Vyjadruje pomer prírastku celkového prúdu kolektora k prírastku jeho dierovej zložky.

21 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 21 Prúdový zosilňovací činiteľ β T v zapojení S vyjadruje prenos prúdu cez tranzistor z bázy do kolektora pri konštantnom napätí na kolektore β U konst vyjadrime pomocou α β α 1 α Praktické hodnoty α sa blížia k 1, v praxi v reálnych tranzistoroch sa pohybujú od 0,98 až po 0,999 Praktické hodnoty β v reálnych tranzistoroch sa pohybujú od 10 až po 1000

22 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 22 Prúdový zosilňovací činiteľ β T v zapojení S β st, β 200 Statický prúdový zosilňovací činiteľ β st β β st β st Dynamický prúdový zosilňovací činiteľ β β U konst µ A 100 µ A 10mA 1A Závislosť prúdového zosilňovacieho činiteľa od kolektorového prúdu

23 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 23 Vzťahy medzi jednosmernými prúdmi T Kirchhofov zákon je tvorený dvoma prúdovými zložkami npn prúdom injektovaných nosičov z emitora α 0 zvyškovým prúdom kolektora T v zapojení S pri odpojenej báze v prvom priblížení tento vzťah môžeme zjednodušiť na α

24 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 24 Vzťahy medzi jednosmernými prúdmi T kombináciou a úpravou dostaneme α 1 α 1 1 α β β 0 ( 1 ) 0 npn ( )( β ) 1 0 môžeme zanedbať v prvom priblížení tento vzťah môžeme zjednodušiť na β

25 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 25 T v zapojení so spoločnou bázou p pnp n p n npn p n R G R R G R - - U -U -U U - - T typu pnp pnp R <0 U - U U <0 <0 - Schémy zapojenia polarizácia - - -U U <0 T typu npn npn R U >0 -

26 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 26 Volt-ampérové charakteristiky T S Vstupné VAH pnp (ma) - U 0 U >0 f ( U ) U npn konst. (µa) U >>0 U ( V ) 0.7 V 0.7 V U ( V ) (µa) VAH pn priechodu - U >>0 U >0 U 0 - (ma)

27 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 27 Volt-ampérové charakteristiky T S npn α Výstupné VAH (ma) Nasýtený režim 0 Aktívny režim < 0 0 pnp f ( U ) Nevodivý režim konst. U ( V ) 0 1 V 1 V 0 U ( V ) 0 Nevodivý režim 2 α 0 > Aktívny režim Nasýtený režim (ma) pri 0 tečie cez kolektor prúd 0 zvyškový prúd kolektora 0 (odpojený emitor)

28 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 28 T v zapojení so spoločným emitorom npn pnp R R U U U <0 - - U <0 - - T typu npn Schémy zapojenia polarizácia T typu pnp

29 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 29 Volt-ampérové charakteristiky T S Vstupné VAH f ( U ) U konst. (µa) U 0 U <0 U >0 T npn 0 (na) 0.7 V U (V) VAH pn priechodu -

30 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 30 Volt-ampérové charakteristiky T S Napäťová prevodová VAH Ak β potom f U ) stat ( f ( U ) U konst. pre zanedbateľne malý zvyškový prúd záverne polarizovaného priechodu kolektor - báza 0 (ma) 5 Q 0 U ( T, U ) exp UT kde U T je oltzmanovo teplotné napätie U T k T q 0 0 U 0,6 U (V)

31 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 31 Volt-ampérové charakteristiky T S Priama prevodová strmosť S S po úprave U U konst. (ma) 5 Q Napäťová prevodová VAH U S 0 exp U T U T U T 0 0 U 0,6 U (V) priama prevodová strmosť S je priamo úmerná kolektorovému prúdu a nie je závislá od parametrov konkrétneho tranzistora

32 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 32 Volt-ampérové charakteristiky T S Spätná prevodová strmosť S R S R U U konst. malá hodnota Spätnú prevodovú strmosť môžeme okrem vysokých frekvencií prakticky zanedbať a väčšinou sa ani neuvažuje Poznámka Spätné napäťové zosilnenie A R U U konst malá hodnota

33 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 33 Volt-ampérové charakteristiky T S Prúdová prevodová VAH f ( ) U konst β β ( 1 ) 0 (ma) 5 Q 0 0 0,1 (ma) pri 0 tečie cez kolektor prúd 0 zvyškový prúd kolektora 0 (odpojená báza) 1 1 α 0 0

34 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 34 Volt-ampérové charakteristiky T S Výstupné VAH (ma) Hranica nasýtenia saturácie Saturačná oblasť - nasýtený režim Pracovné oblasti T MAX medzná priamka m f ( U ) odpojená báza U S Aktívna oblasť - aktívny režim 10 µa 0 0 nevodivá oblasť nevodivý režim U MAX npn konst. Maximálny stratový výkon P MAX U. Oblasť lavínového prierazu U (V)

35 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 35 Medzné hodnoty katalógové údaje Medzné hodnoty T sú hodnoty trvalých, príp. impulzných veličín, (napr. prúdov a napätí medzi jednotlivými elektródami), pri ktorých prekročení dochádza k nevratným zmenám k deštrukcii súčiastky Najdôležitejšími medznými parametrami sú maximálne napätia U MAX a U MAX, maximálne prúdy kolektora MAX a bázy MAX, a maximálna výkonová strata P TMAX.

36 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 36 Diferenciálny vstupný odpor r i T S Definícia r i r U U konst. ak uvážime β r i r U β β S β U T vstupný odpor r i je nepriamo úmerný kolektorovému prúdu priamo úmerný β

37 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 37 Diferenciálny výstupný odpor r o T S Definícia r o r U U konst. r r o U Y arlyho napätie U Y v npn tranzistoroch 80 až 200 V v pnp tranzistoroch 40 až 150 V U Y 0 U výstupný odpor r o je nepriamo úmerný kolektorovému prúdu

38 lektronické systémy, Doc. ng. L. Hulényi, Sc. ipolárny tranzistor 38 Ďakujem za pozornosť