ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΙ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΙ"

Στέφανος Γιάνναρης
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΙ ΧΑΤΖΟΠΟΥΛΟΣ ΑΡΓΥΡΗΣ ΚΟΖΑΝΗ 2005

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ Για τον καλύτερο προσδιορισµό των µεγεθών που χρησιµοποιούµε στις εξισώσεις, χρησιµοποιούµε τους παρακάτω συµβολισµούς για να ξεχωρίζουµε τα D µεγέθη από τα A και τα µικτά. Γράµµα Μεγέθους Γράµµα είκτη Παράδειγµα D Μεγέθη ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ι Β, Ι A Μεγέθη Μικρό Μικρό i b, i c Μικτά (A+D) Μικρό ΚΕΦΑΛΑΙΟ i B, i Για παράδειγµα, στην παρακάτω εξίσωση 1 1 i = u + = ( + uce ) R R R τα µεγέθη ανά κατηγορία είναι + R D Μεγέθη A Μεγέθη Μικτά (A+D), u ce i, u

Γράµµα Μεγέθους Γράµµα είκτη Παράδειγµα D Μεγέθη ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ι Β, Ι A Μεγέθη Μικρό Μικρό i b, i c Μικτά (A+D)

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΑΦΗΣ (BJ) Τα τρανζίστορ επαφής συνίστανται συνήθως από κρύσταλλο Si και σπανιότερα από Ge. Κατασκευάζονται από τρεις περιοχές πρόσµιξης p,n,p (τρανζίστορ τύπου pnp) ή n,p,n (τρανζίστορ τύπου npn). Η µία ακραία περιοχή µε µεγάλη δόση πρόσµιξης ονοµάζεται εκποµπός (emitter ), η µεσαία περιοχή που έχει µικρότερη δόση πρόσµιξης και µικρότερο πλάτος ονοµάζεται βάση (base B) και τέλος η άλλη ακραία περιοχή µε ακόµη µικρότερη δόση πρόσµιξης αλλά πλάτος περίπου ίσο µε αυτό του εκποµπού ονοµάζεται συλλέκτης (collector ). Σχ.1.1. Σχηµατική παράσταση τρανζίστορ pnp και npn µε τα αντίστοιχα σύµβολα τους. Με ανοικτούς τους ακροδέκτες στις πλευρές κάθε επαφής σε ένα τρανζίστορ pnp (σχ.1.2) θα σχηµατισθούν ακίνητα φορτία χώρου, ακριβώς όπως συµβαίνει και στην επαφή pn της διόδου. Σχ.1.2. Το τρανζίστορ χωρίς πόλωση (α) µε πόλωση (β) καθώς και τα αντίστοιχα δυναµικά (γ,δ).

Η µία ακραία περιοχή µε µεγάλη δόση πρόσµιξης ονοµάζεται εκποµπός (emitter ), η µεσαία περιοχή που έχει µικρότερη δόση πρόσµιξης και µικρότερο πλάτος ονοµάζεται βάση (base B) και τέλος η άλλη ακραία

4 Στην περιοχή p της κάθε επαφής θα δεσµευθούν ηλεκτρόνια που προέρχονται από την περιοχή n µε αποτέλεσµα να δηµιουργήσουν µία περιοχή αρνητικά φορτισµένη. Αντίθετα, στην περιοχή n της κάθε επαφής θα έχουµε διάχυση οπών που θα προσδώσουν θετικό πρόσηµο στην περιοχή φορτίων χώρου (σχ.1.2.α). Παρατηρώντας τα πρόσηµα και στις δύο πλευρές της κάθε επαφής βλέπουµε ότι στην περιοχή φορτίων χώρου, δηλαδή εκατέρωθεν της επαφής δηµιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο (σχ.1.3) εξαιτίας της συγκέντρωση των φορτίων. Αυτό το πεδίο σε κάθε επαφή είναι που δηµιουργεί ένα φράγµα δυναµικού ho στην διέλευση των φορέων, δηλαδή ανάλογα µε το φορτίο του φορέα και την κατεύθυνση της κίνησης του, θα καταναλώνει ή θα προσδίδει ενέργεια στον κάθε φορέα ίση µε =q ho. Σχ.1.3. Το ηλεκτρικό πεδίο της κάθε περιοχής φορτίων χώρου (περιοχή έλλειψης φορέων). Εάν η επαφή J του εκποµπού πολωθεί ορθά µε µία πηγή τάσης B (σχ.1.2.β) το ύψος του φράγµατος δυναµικού θα µειωθεί για τις οπές της περιοχής του εκποµπού κατά B και θα γίνει h = ho - B (σχ.1.2.δ), δηλαδή θα είναι λιγότερο δύσκολο να περάσουν από την περιοχή του εκποµπού στην περιοχή της βάσης. Εάν η επαφή J του συλλέκτη πολωθεί ανάστροφα µε πηγή τάσης B, το φράγµα δυναµικού θα αυξηθεί κατά B, δηλαδή θα γίνει h = ho + B (σχ.1.2.δ). Η ορθή πόλωση της επαφής J Ε, που ελαττώνει το φράγµα δυναµικού της επαφής έχει σαν συνέπεια την αύξηση της διάχυσης των φορέων (οπών) από τον εκποµπό προς την βάση. Αυτοί οι φορείς στην περιοχή της βάσης µπορεί να επανασυνδεθούν και να συµβάλλουν στο σχηµατισµό του εξωτερικού ρεύµατος της βάσης (1-α)Ι Ε (σχ.1.4) ή να προχωρήσουν προς την περιοχή της επαφής του συλλέκτη, να µπουν στην περιοχή φορτίων χώρου και εκεί λόγω της ύπαρξης του πεδίου να σπρωχθούν προς τον συλλέκτη και κατόπιν να δηµιουργήσουν το εξωτερικό ρεύµα του συλλέκτη (α ). Επιθυµητή είναι η δεύτερη περίπτωση, δηλαδή ( 1 a) << a (1 a) 0 a 1 για αυτό κατά την δηµιουργία του τρανζίστορ φροντίζουµε η περιοχή της βάσης να έχει µικρό πλάτος. Έτσι οι οπές που περνάνε από τον εκποµπό προς την βάση, συνεχίζουν σχεδόν όλες προς τον συλλέκτη και ελάχιστες έχουν προλάβει να επανασυνδεθούν στην περιοχή της βάσης. Σχ.1.4. Τα ρεύµατα µέσα στο τρανζίστορ.

Παρατηρώντας τα πρόσηµα και στις δύο πλευρές της κάθε επαφής βλέπουµε ότι στην περιοχή φορτίων χώρου, δηλαδή εκατέρωθεν της επαφής δηµιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο (σχ.1.

5 Το ρεύµα του συλλέκτη αποτελείται από το ρεύµα αι Ε και από ένα άλλο πολύ µικρό ρεύµα BO ή O που προέρχεται από τη θερµική γένεση ζευγών ηλεκτρονίωνοπών µέσα στις περιοχές του συλλέκτη και της βάσης. Αυτό το ρεύµα δεν εξαρτάται από την τάση B και αντιστοιχεί στο ανάστροφο ρεύµα κόρου S που υπάρχει στη δίοδο. 1.2 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ α ΚΑΙ β Ο συντελεστής α εκφράζεται από τη σχέση c BO a = (1.1) και έχει τιµή µικρότερη της µονάδος αλλά πολύ κοντά σε αυτήν, δηλαδή 0,95<α<1. Η φυσική του σηµασία είναι το ποσοστό των φορέων που από τον εκποµπό καταλήγουν στο συλλέκτη σε σχέση µε το πλήθος όλων των φορέων που φεύγουν από τον εκποµπό. Για κάθε τρανζίστορ έχει διαφορετική τιµή αλλά γενικά είναι πολύ κοντά στην µονάδα. Ο συντελεστής β ορίζεται ως α β = (1.2) 1 α B B και έχει τιµή πολύ µεγαλύτερη της µονάδας (συνήθως ). Η φυσική του σηµασία είναι η ενίσχυση του ρεύµατος του συλλέκτη ή του εκποµπού σε σχέση µε το ρεύµα της βάσης. Επειδή το ρεύµα της βάσης είναι πολύ µικρότερο (κατά β φορές) σε σχέση µε το ρεύµα του συλλέκτη ή του εκποµπού, θεωρούµε ότι το ρεύµα του συλλέκτη και το ρεύµα του εκποµπού έχουν την ίδια τιµή. Για κάθε τρανζίστορ έχει διαφορετική τιµή και είναι σχεδόν σταθερό (πολύ µικρή µεταβολή από την B ). Αν θα εξετάσουµε την ενίσχυση των εναλλασσόµενων ρευµάτων i c και i b θα διαπιστώσουµε ότι ισχύει πάλι η ίδια σχέση ic ie β. (1.3) Εκτός από τις προηγούµενες σχέσεις που συνδέουν εντάσεις ρεύµατος υπάρχουν και κάποιες σχέσεις που συνδέουν εντάσεις µε τάσεις. Μεταξύ του ρεύµατος εκποµπού Ι Ε και της τάσης B ισχύει η προσεγγιστική σχέση B B = S e 1 Se. (1.4) που είναι ίδια µε τη σχέση ρεύµατος της διόδου. ( =26m) Αντίστοιχα για τη βάση και το συλλέκτη ισχύει B B B = BS e 1 BSe. (1.5) B B = e 1 e. (1.6) S S Μεταξύ των σχέσεων (Α.4) και (Α.5-6) η µόνη διαφορά είναι ο προσανατολισµός της τάσης B στον εκθέτη, που οφείλεται στην αντίθετη φορά του ρεύµατος.

1) και έχει τιµή µικρότερη της µονάδος αλλά πολύ κοντά σε αυτήν, δηλαδή 0,95<α<1.

6 1.3 Τρόποι Λειτουργίας του Τρανζίστορ Κάθε επαφή στο τρανζίστορ µπορεί να πολωθεί κατά την ορθή ή κατά την ανάστροφη φορά ανεξάρτητα. Έτσι υπάρχουν τέσσερις τρόποι λειτουργίας και ορίζονται στον Πίνακα 1.1. Λειτουργία Πόλωση επαφής Εκποµπός - βάση Πόλωση επαφής Συλλέκτης - βάση Ορθή λειτουργία Ορθή Ανάστροφη Αποκοπή Ανάστροφη Ανάστροφη Κορεσµός Ορθή Ορθή Ανάστροφη λειτουργία Ανάστροφη Ορθή Πίνακας 1.1. Τρόποι λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ. Κατά την ορθή λειτουργία, το διπολικό τρανζίστορ συµπεριφέρεται σαν ελεγχόµενη πηγή. Για τάσεις πόλωσης επαφής τουλάχιστο µερικά δέκατα του volt και θεωρώντας ότι το S είναι αρκετά µικρό, ώστε να µπορεί να µη ληφθεί υπόψη, ισχύει Ι =-αι Ε. Ετσι ο έλεγχος του ρεύµατος εισόδου Ι Ε προσδιορίζει το ρεύµα εξόδου Ι. Αυτή είναι η λειτουργία της πηγής ελεγχοµένου ρεύµατος αφού οι µεταβολές της στάθµης πόλωσης εκποµπού - βάσης ρυθµίζουν την τιµή του Ι Ε άρα και του Ι. Αυτή η συµπεριφορά προσεγγίζει τον ενισχυτή. Στην αποκοπή και οι δύο επαφές έχουν ανάστροφη πόλωση. Και το Ι Ε και το Ι είναι της τάξης µεγέθους των ρευµάτων ανάστροφου κορεσµού της διόδου. Η περίπτωση εδώ είναι σχεδόν µηδενικό ρεύµα µε "µεγάλες" ανάστροφες τάσεις επαφής και η συµπεριφορά προσεγγίζει τον ανοικτό διακόπτη. Στον κορεσµό, όπου και οι δύο δίοδοι έχουν πόλωση κατά την ορθή φορά, το ρεύµα συλλέκτη µπορεί να είναι αρκετό, υπάρχει όµως µόνο µια µικρή τάση στα άκρα της επαφής συλλέκτη. Αυτή είναι σχεδόν η συνθήκη του κλειστού διακόπτη. Η λειτουργία του BJ µεταξύ αποκοπής και κορεσµού αντιστοιχεί στην λειτουργία διακόπτη. Η ανάστροφη λειτουργία είναι παρόµοια µε την ορθή µε µια ουσιαστική διαφορά. Αν και η συµπεριφορά στην ανάστροφη λειτουργία είναι η συµπεριφορά ελεγχόµενης πηγής (Ι Ε =-α R Ι ), η µικρή τιµή της απολαβής ρεύµατος α R κάνει την λειτουργία αυτή, γενικά, ακατάλληλη για ενίσχυση. 1.4 ΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΕΚΠΟΜΠΟΥ ΚΑΙ ΒΑΣΗΣ Από την σχέση (1.4) µπορούµε να διαπιστώσουµε ότι µια µικρή µεταβολή ΕΒ στην τάση µεταξύ του εκποµπού και της βάσης προκαλεί µία αντίστοιχη µεταβολή Ι Ε στο ρεύµα του εκποµπού. Σαν δυναµική αντίσταση µεταξύ του εκποµπού και της βάσης θα ορίσουµε το λόγο των παραπάνω µεταβολών, δηλαδή B reb = re = (1.7) Σηµειώνουµε ότι το ρεύµα του εκποµπού, περνώντας τον όγκο της περιοχής του, βρίσκει µία ωµική αντίσταση, η οποία όµως είναι πολύ µικρή και αγνοείται. Έτσι την αντίσταση r eb την ταυτίζουµε µε την αντίσταση της επαφής που γνωρίσαµε για τη δίοδο και την ονοµάζουµε εδώ δυναµική αντίσταση του εκποµπού r e. Αν θέσουµε B =u eb και Ι Ε =i e, τότε προφανώς για τα εναλλασσόµενα αυτά µεγέθη ισχύει

1. Λειτουργία Πόλωση επαφής Εκποµπός - βάση Πόλωση επαφής Συλλέκτης - βάση Ορθή λειτουργία Ορθή Ανάστροφη Αποκοπή Ανάστροφη Ανάστροφη Κορεσµός Ορθή Ορθή Ανάστροφη λειτουργία Ανάστροφη Ορθή Πίνακας 1.

7 u eb = r i Από την σχέση (1.4) µε παραγώγιση βρίσκουµε οπότε όπου =26m. d d B r e e (1.8) B S = e = (1.9) d B e = (1.10) d Σχ.1.5. Η αντίσταση του εκποµπού. Η δυναµική αντίσταση της επαφής βάσης εκποµπού που συµβολίζεται µε το r π, θα είναι ube ueb reie ( β + 1) re rπ = = = = = ( β + 1) re βre (1.11) Όπως και στην περίπτωση του εκποµπού, το ρεύµα της βάσης περνώντας τον όγκο της, βρίσκει µία ωµική αντίσταση r b, την οποία εδώ δεν πρέπει πάντοτε να θεωρείται αµελητέα. Έτσι µεταξύ του ακροδέκτη της βάσης και του εκποµπού θα βλέπουµε την αντίσταση r be, όπου r = r + r βr (1.12) be b π e Σχ.1.6. Η αντίσταση της βάσης.

11) Όπως και στην περίπτωση του εκποµπού, το ρεύµα της βάσης περνώντας τον όγκο της, βρίσκει µία ωµική αντίσταση r b, την οποία εδώ δεν πρέπει πάντοτε να

8 1.5 ΙΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ g m Το ρεύµα του συλλέκτη c εξαρτάται από την τάση B όπως φαίνεται από τη σχέση (1.6). Έτσι υπάρχει µια σχέση διαγωγιµότητας µεταξύ αυτών των µεγεθών. Την ορίζουµε σαν το λόγο / B, όπου οι εν λόγω µεταβολές θεωρούνται µικρές περί το σηµείο λειτουργίας. Έτσι ic g m = = B ube. (1.13) Παραγωγίζοντας την σχέση (1.6) έχουµε d g m = db Αν συγκρίνουµε µε την r e, βλέπουµε ότι 1 = g m e S e B = (1.14) 1 =. (1.15) r

Την ορίζουµε σαν το λόγο / B, όπου οι εν λόγω µεταβολές θεωρούνται µικρές περί το σηµείο λειτουργίας.

Σχετικά έγγραφα

Ηλεκτρονική. Ενότητα: 4 Διπολικά Τρανζίστορ (BJT) Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Ηλεκτρονική. Ενότητα: 4 Διπολικά Τρανζίστορ (BJT) Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Ηλεκτρονική Ενότητα: 4 Διπολικά Τρανζίστορ (BJT) Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης reatve ommons. Για εκπαιδευτικό