3. TRANZISTORUL BIPOLAR

Transcript

1 3.. NOŢIUNI INTRODUCTIV 3. TRANZISTORUL BIPOLAR 3... Defnţe Tranzstorul bpolar este un dspozt electronc act cu tre termnale: emtorul (), baza (B) ş colectorul (C). Aceste tre termnale sunt plasate pe tre regun semconductoare de conductbltate dfertă (p sau n) ale aceluaş crstal semconductor (în general germanu Ge sau slcu S). Denumrea de tranzstor bpolar prone de la următoarea caracterstcă: conducţa este asgurată de două tpur de purtător de sarcnă de polartate dfertă (electron ş golur). Tranzstorul bpolar se ma notează prescurtat TB. Obseraţe: Prn comparaţe, tranzstorul cu efect de câmp (TC) face parte dn clasa dspoztelor unpolare (funcţonarea lor se bazează pe un sngur tp de purtător de sarcnă fe electron, fe golur). Datortă faptulu că exstă tpur de regun cu conductbltate dfertă (n sau p) care trebue să alterneze, ar TB este format dn tre regun or exsta tranzstoare cu structură npn sau pnp, după cum se poate obsera dn fgura 3. ş Smbolur Smbolurle celor două structur sunt prezentate în fgura 3. (pnp) ş fgura 3. (npn). Fg. 3. Smbolul tranzstorulu pnp Fg. 3. Smbolul tranzstorulu npn Se obseră că prn alăturarea celor tre regun dopate dfert se formează două joncţun ce pot f asemănate cu două dode. Săgeata dn smbol corespunde joncţun pn (emtor bază). Sensul săgeţ (întotdeauna de la zona p spre zona n) arată sensul normal, pozt al curentulu prn joncţunea bază emtor polarzată drect Mărmle electrce ce caracterzează un TB Mărmle electrce ce caracterzează un TB sunt tre curenţ ş tre tensun, conenţa de asocere a sensurlor pozte ale acestora fnd prezentată în fgura

2 Fg.3.3 Sensurle pozte ale tensunlor ş curenţlor Obseraţe: Sensul conenţonal ales pentru curenţ este acelaş cu sensul curentulu la funcţonarea normală a tranzstorulu. Tensunea este prezentată ca o dferenţă de potenţal între două borne, în ordnea ndclor. Asmlând tranzstorul cu un nod de crcut, se poate scre că: = C + B (3.) ş de asemenea: C = B + CB (3.) Ţnând cont de relaţle (3.) ş (3.) ce exstă între cele şase mărm electrce ce caracterzează un TB a rezulta că doar patru dntre ele sunt ndependente (do curenţ ş două tensun). Pentru a alege cele patru mărm ndependente este neoe de un crteru acesta fnd ofert de tpul conexun în care se află TB prt ca un cuadrpol Conexunle tranzstorulu. Tpur de caracterstc Un dport (cuadrpol) este caracterzat de patru mărm, două de ntrare ş două de eşre. Sensul conenţonal al curenţlor ş al tensunlor este prezentat în fgura 3.4. Cum dportul (care poate f ăzut ca o cute neagră, în care se poate magna că se află orce dspozt sau crcut electrc, cu o schemă orcât de complexă) este caracterzat prn patru borne ar tranzstorul are doar tre, una dn ele trebue să fe comună atât ntrăr cât ş eşr. Borna comună defneşte conexunea TB. 3. Fg.3.4 Schema electrcă a unu dport În fgura 3.5 sunt prezentate cele tre tpur de conexun ale tranzstorulu, precum ş echalenţa dntre mărmle electrce ce caracterzează dportul ş cele ce caracterzează tranzstorul. Descrerea funcţonăr cuadrpolulu constă în determnarea curenţlor atunc când se cunosc alorle tensunlor. Curenţ de la ntrarea, respect de la eşrea cuadrpolulu, se or exprma fecare în funcţe de cele două tensun, adcă: (, ) (, ) = (3.3) = Mărmle de eşre (curenţ ş ) sunt funcţ de două arable, adcă dn punct de edere grafc cuadrpolul (dec ş tranzstorul) este descrs de două faml de caracterstc, sub forma unor suprafeţe. În practcă se folosesc tre dntre caracterstcle posble descrse de (3.3) (curbe de nel pe suprafeţele respecte), ş anume: Caracterstca de ntrare ( ); parametru = = (3.4) Reprezntă dependenţa curentulu de ntrare funcţe de tensunea de ntrare, pentru derse alor constante ale tensun de eşre.

3 Caracterstca de transfer = ( ) ; = parametru (3.5) Reprezntă dependenţa curentulu de eşre funcţe de tensunea de ntrare, pentru derse alor constante ale tensun de eşre. Caracterstca de eşre = ( ); sau = parametru (3.6) Reprezntă dependenţa curentulu de eşre funcţe de tensunea de eşre, pentru derse alor constante ale curentulu (tensun) de ntrare. Tranzstor pnp Tranzstor npn = = B = B = = C CB B a) Conexunea bază comună (B.C.) = = = B = C = CB = = B B = = C C B b) Conexunea emtor comun (.C.) = B = = C = C = B = CB = = C CB c) Conexunea colector comun (C.C.) 3.3 = B = = = Fg 3.5 Conexunle tranzstorulu bpolar Corespunzător celor tre conexun posble, ecuaţle (expresle) caracterstclor tranzstorulu sunt următoarele: Conexunea B.C. = (3.7) Caracterstca de ntrare: ( ) B VCB= ct. Caracterstca de transfer: C C ( B ) VCB = ct. Caracterstca de eşre: C C ( CB ) = ct. = (3.8) = (3.9) C

4 Conexunea.C. Caracterstca de ntrare: ( ) B B B VC = ct. Caracterstca de transfer: C C ( B ) VC = ct. Caracterstca de eşre: C C ( C ) = ct. Conexunea C.C. Caracterstca de ntrare: ( ) B B CB VC = ct. Caracterstca de transfer: ( CB ) VC = ct. Caracterstca de eşre: ( C ) = ct. = (3.) = (3.) = (3.) B = (3.3) = (3.4) = (3.5) Obseraţe: Tranzstorul a f complet descrs prn specfcarea a doar două caracterstc, deoarece a trea se poate deduce dn celelalte. 3.. PRINCIPIUL D FUNCŢIONAR 3... Generaltăţ Funcţonarea unu tranzstor (într-un crcut oarecare) poate f înţeleasă doar dacă este foarte clară comportarea acestua: în regm statc (la bornele tranzstorulu se aplcă tensun contnue); în regm dnamc (la ntrarea tranzstorulu ăzut ca un dport apare un semnal de comandă (snusodal sau mpuls), sub forma unu curent sau a une tensun, semnal ce se suprapune peste o tensune contnuă preexstentă). Pentru a înţelege prncpul de funcţonare se or face câtea afrmaţ ce or f demonstrate pe parcursul acestu captol. Curentul de emtor ş cel de colector sunt aproxmat egal: I = I - în regm statc (3.6) C C = - în regm dnamc (3.7) unde = I + e ş C = IC + c (3.8) În regm statc, curentul de bază este mult ma mc decât curentul de colector: IC = βfib, cu β F >> (3.9) unde β F este amplfcarea în curent la semnale mar, fnd o mărme ce depnde de tranzstor. Tranzstoarele de mcă putere sunt caracterzate de alor mar ale lu β F (de ordnul sutelor), ar cele de putere mede sau mare prezntă alor ma mc (de ordnul zeclor) ale acestu parametru. Trebue sublnată dspersa mare a parametrulu β F, char pentru tranzstoare făcând parte dn aceeaş famle. În regm dnamc, araţa curentulu de bază este mult ma mcă decât araţa curentulu de colector: e b h fe B = h, cu h >> (3.) sau este amplfcarea în curent la semnale mc cu eşrea în scurtcrcut. β F h (3.) Această relaţe înţeleasă profund poate explca funcţonarea unu tranzstor. Un tranzstor amplfcă în putere. h ( ) 3.4

5 Toate aceste afrmaţ or f pe larg explcate. Prezenţa lor ac, la începutul captolulu, nu are rolul de a face nutlă parcurgerea lu, c oferă permanent posbltatea de a şt care este scopul tuturor abordărlor ulteroare. În funcţonarea normală a unu tranzstor joncţunea emtor-bază este polarzată drect, ar cea colector-bază polarzată ners. Specfctatea tranzstorulu este cuplarea electrcă a acestor două joncţun pn. Construct, trebue îndeplnte două condţ : Joncţunea emtor-bază trebue să fe puternc asmetrcă: p + n în cazul tranzstoarelor pnp ş n + p în cazul tranzstoarelor npn (adcă zona puternc dopată este emtorul). Baza trebue să fe subţre (îngustă) în comparaţe cu lungmea de dfuze L p a purtătorlor majortar dn emtor ce ajung în bază, astfel încât cea ma mare parte dntre e să fe captaţ de colector. Se or explca fenomenele specfce tranzstorulu pe modelul pnp Funcţonarea tranzstorulu pnp Datortă structur asmetrce a celor două joncţun pn ale tranzstorulu, conform (.6), dfuza purtătorlor de sarcnă a aea loc preponderent în regunea cea ma slab dopată (adcă în bază), după cum se poate edea ş în fgura 3.6a. a) b) Fg. 3.6 Fenomene fzce în tranzstorul pnp a) Nepolarzat b) Polarzat în RAN Corespunzător polarzăr celor două joncţun, exstă patru regmur de funcţonare a tranzstorulu bpolar Regmul act normal (RAN) Un TB se află în a cest regm de funcţonare dacă joncţunea B este polarzată drect, ar joncţunea CB este polarzată ners. În cazul TB de tp pnp rezultă: B > ; CB < (3.) Datortă polarzăr drecte a joncţun B, lungmea de dfuze corespunzătoare acestea se a mcşora, conform (.). De asemenea, datortă polarzăr nerse a joncţun CB, lungmea de dfuze corespunzătoare acestea se a măr (paragraful.3..), rezultând astfel suprapunerea lor pe o anumtă zonă (fgura 3.6b). Aceasta este semnfcaţa noţun de bază subţre, menţonată în paragraful anteror. În acest mod, purtător majortar de sarcnă electrcă njectaţ în bază dn emtor datortă polarzăr drecte a joncţun B (golur în cazul TB de tp pnp) ajung sub nfluenţa câmpulu electrc CB ce se produce în joncţunea CB de către tensunea CB, ce o polarzează ners (fgura 3.6b). Acest câmp electrc acţonează asupra purtătorlor de sarcnă cu forţe electrostatce F = q, unde q = e în cazul golurlor, respect q = e în CB 3.5

6 cazul electronlor. Aceste forţe sunt orentate astfel încât să mprme purtătorlor de sarcnă o deplasare spre colector. Traersarea baze (de fapt a joncţun CB, polarzată ners) de către purtător de sarcnă electrcă dntr-un TB funcţonând în RAN se numeşte efect de tranzstor. De asemenea, manfestarea acestu efect a sugerat ş denumrea dspoztulu: transstor = transfer resstor (în lmba engleză) = transfer de rezstenţă, adcă un transfer al curentulu dn crcutul de ntrare, caracterzat de rezstenţă mcă (specfcă joncţun B polarzată drect), în crcutul de eşre, caracterzat de rezstenţă mare (specfcă joncţun CB polarzată ners). Canttat, acest transfer este controlat de către aloarea tensun B. După cum se poate constata cu uşurnţă, manfestarea acestu efect este o consecnţă a construcţe tranzstorulu, în specal a faptulu că baza este subţre. Datortă faptulu că regunea emtorulu este ma puternc dopată (p + ) faţă de cea a baze, în curentul predomnă purtător majortar njectaţ (prn dfuze) dn emtor în bază (golurle în cazul TB de tp pnp). Purtător mnortar dn bază (în cazul TB de tp pnp, atât golurle exstente înantea polarzăr cât ş golurle ce au dfuzat dn emtor) se or deplasa spre colector, generându-se astfel un curent C (curent de colector), care este aproxmat egal cu cel de emtor: C (3.3) Obseraţ: ) Joncţunea B (polarzată drect) poate f asemănată cu o dodă polarzată drect. În schmb joncţunea CB nu poate f comparată cu o dodă polarzată ners, deoarece într-o astfel de stuaţe prn dodă ar crcula un curent (ners) de aloare foarte mcă, în nc un caz C. Dn această cauză reprezentărle dn fgurle 3. ş 3. (unde apăreau două dode legate în sere) oferă doar o explcaţe a modulu de smbolzare a unu TB. ) De asemenea, dn fgurle 3. ş 3. rezultă metoda statcă de erfcare a unu TB: se a) controlează cele două joncţun, folosnd metoda descrsă în captolul anteror. 3) Important! Un TB nu este echalent cu două dode legate ca în fgurle 3. sau 3.! 4) La defnrea TB s-a amntt faptul că două tpur b) de purtător asgură conducţa (golur ş electron). xplcaţa de ma sus accentuează doar faptul că în cazul tranzstorulu de tp pnp curentul este în majortate format dn golur. Dn comparaţa joncţun emtor bază cu o Fg. 3.7 dodă polarzată drect rezultă că: Caracterstc deale ale B ct. (3.4) tranzstorulu pnp cu alor tpce de ordnul,6,7v pentru S a) Caracterstca deală de ntrare ş,,3v pentru Ge. b) Caracterstca deală de eşre Dn (3.3) ş (3.4) se obţn caracterstcle deale ale unu TB pnp prezentate în fgura Regmul act ners (RAI) Un T.B se află în a cest regm de funcţonare dacă joncţunea CB este polarzată drect, ar joncţunea B este polarzată ners. În cazul TB de tp pnp rezultă: B < ; CB > (3.5) În această stuaţe, dn punct de edere caltat, fenomenele or f asemănătoare cu cele descrse la funcţonarea TB în RAN, joncţunle CB ş B schmbându-ş rolurle între ele. Rezultă că prn TB a crcula un curent în sens opus faţă de funcţonarea în RAN, datorat purtătorlor de sarcnă njectaţ în bază prn dfuze dn colector ş transportaţ în emtor datortă câmpulu electrc ce polarzează ners joncţunea B. 3.6

7 Dn punct de edere canttat însă, fenomenele dferă sensbl. Astfel, datortă modulu de dopare specfc celor două joncţun (regunea colectorulu are dopare mede), curentul ar f mult ma mc faţă de cel obţnut la funcţonarea în RAN, în aceleaş condţ de polarzare. În al dolea rând, datortă modulu de dopare, joncţunea B nu suportă tensun nerse mar (majortatea TB au tensunea de străpungere a joncţun B de ordnul 5 6V), astfel că acest regm de lucru este posbl numa în cazul funcţonăr cu tensun de almentare de alor mc. În consecnţă, regmul act ners nu este utlzat în aplcaţ practce. Obseraţe: Tranzstorul este un dspozt ce a fost gândt ş construt în scopul de a asgura o conducţe controlată ş undrecţonală. Dn acest mot, nu funcţonarea în regmul act ners a consttut preocuparea proectanţlor. Posbltatea exstenţe acestu regm de lucru este o consecnţă a structur constructe a TB ş are o semnfcaţe pur teoretcă. l a fost prezentat în încercarea de a da expuner un caracter cât ma untar ş, în defnt, pentru că (la fel ca ş muntele erest) exstă! Regmul de saturaţe Un TB funcţonează în regm de saturaţe dacă ambele joncţun sunt polarzate drect. În cazul TB de tp pnp rezultă: B < ; CB (3.6) Ca urmare a polarzăr drecte a ambelor joncţun, a f faorzată dfuza. În acest mod, în bază a aea loc o njecţe masă de purtător majortar de sarcnă (golur în cazul de faţă), atât dn dn emtor cât ş dn colector. Aceşt purtător de sarcnă ntră sub nfluenţa câmpulu electrc. C = B + BC (3.7) ce rezultă între colector ş emtor ca urmare a polarzăr joncţunlor. Deoarece, după cum se poate obsera dn fgura 3.6b, căderea de tensune între emtor ş colector este C = B BC (3.8) ş ţnând cont de (3.6), câmpurle electrce B ş BC or aea sensur opuse, astfel că în prncpu câmpul C poate aea orce orentare, mprmând purtătorlor de sarcnă dn bază deplasăr corespunzătoare. Rezultă că prntr-un TB ce funcţonează în acest regm de lucru curentul ( C ) poate aea orcare dn cele două sensur posble. Totuş, se mpun următoarele preczăr: Tensunea C, conform (3.8), are o aloare mcă, astfel că aloarea curentulu prn tranzstor a f stabltă de rezstenţa de sarcnă conectată în colector (ş/sau în emtor). Nu toţ purtător de sarcnă dn bază or partcpa la acest curent (a nu se uta faptul că faţă de RAN exstă ma mulţ purtător în bază, ar aloarea curentulu nu creşte semnfcat), astfel că or exsta purtător de sarcnă ce staţonează în bază (aşa numţ purtător în exces sau sarcna stocată). Aceşta creează probleme la blocarea TB, deoarece trebue eacuaţ dn bază, fenomen ce nu se desfăşoară nstantaneu. Rezultă o creştere a tmpulu de blocare, ceea ce este nacceptabl în cele ma multe aplcaţ. Cea ma smplă metodă de a mcşora tmpul de eacuare a sarcn stocate în bază este de a mcşora numărul de purtător ce stagnează în bază. Acest lucru este obtenabl prn polarzarea joncţun CB la lmta ntrăr în conducţe, de obce cu 3.7

8 BC = sau char uşor poztă, ceea ce lmtează substanţal dfuza purtătorlor de sarcnă dn colector în bază. În aceste condţ, este edent că purtător de sarcnă se or deplasa spre colector (ca ş la funcţonarea în RAN). Sensul curentulu a f acelaş, deoarece purtător de sarcnă sunt golurle, adcă sarcn pozte. Obseraţe: Ş în cazul funcţonăr TB în RAN câmpul electrc ce deplasează purtător de sarcnă este dat de relaţa (3.7). Deosebrea constă în faptul că datortă polarzăr nerse a joncţun CB, mărmea câmpulu este mult ma mare decât mărmea câmpulu BC B, astfel că ponderea acestua dn urmă în câmpul total, C dene negljablă. Acesta este motul pentru care în paragraful 3... s-a făcut afrmaţa că purtător de sarcnă se deplasează spre colector datortă câmpulu Regmul de blocare (tăere) Un TB funcţonează în regm de blocare (este blocat sau tăat) dacă ambele joncţun sunt polarzate ners. În cazul TB de tp pnp rezultă: B > ; CB > (3.9) Ca urmare a polarzăr nerse a ambelor joncţun, nu a aea loc dfuza de purtător de sarcnă în bază. Fenomenele sunt asemănătoare cu cele specfce une joncţun pn în regm de polarzare nersă, astfel că prn structură a crcula un curent negljabl, cu (cel puţn 3) ordne de mărme ma mc decât în regmurle de conducţe (RAN sau saturaţe) RLAŢII ÎNTR CURNŢII PRIN TRANZISTOR 3.3..Generaltăţ Relaţle între curenţ se or determna consderând tranzstorul polarzat în RAN, adcă joncţunea B polarzată drect, ar joncţunea CB polarzată ners. Se consderă că în crcut exstă două surse ndependente de tensune contnuă ce polarzează corespunzător cele două joncţun ale TB. În paragraful 3.. s-a prezentat pe scurt fenomenul fzc al trecer curentulu prn două regun cu rezstenţă dfertă, ajungându-se la concluza că aloarea curentulu este practc constantă C. În acest paragraf se a analza ma amănunţt acest fenomen, arătându-se totodată care este legătura între curentul ce crculă prn baza tranzstorulu ( B ) ş celalţ do curenţ ( C, ). De asemenea se a pune în edenţă componenţa curenţlor ce curg prn tranzstor (curenţ de electron ş de golur). Pentru această analză este sufcent ca dn cele tre conexun ale unu TB să se studeze doar două (.C. ş B.C.). Obseraţe: De ce nu se or studa toate cele tre conexun? În studul tranzstorulu ş apo al amplfcatoarelor se acordă o mare mportanţă modulu în care curentul de la eşre este controlat de curentul de la ntrare. Sau, altfel spus cum se poate comanda curentul de la eşre de către curentul de la ntrare prn ntermedul tranzstorulu. Dn fgura 3.5 se obseră că în conexunea C.C. curentul de eşre este ar cel de ntrare este B. Ţnând cont de faptul că C, legătura dntre curenţ de ntrare ş de eşre pentru această conexune a fost rezolată în studul conexun.c. BC 3.8

9 3.3.. Componentele curenţlor prn tranzstor în conexunea B.C., în RAN Scopul acestu studu este de a pune în edenţă legătura dntre curentul de ntrare I ş cel de eşre I C. Schema unu TB de tp pnp în conexunea B.C. polarzat normal este prezentată în fgura 3.8. Condţle în care TB este polarzat în RAN sunt: k T VB > ; VB >> (3.3) e k T VCB > ; VCB >> (3.3) e Fg. 3.8 T.B (pnp) în conexune B.C. Se reamnteşte aloarea tensun termce la temperatura ambantă: k T V T = = 6mV ( T = 3K) e xplcaţle fzce se pot urmăr în fgura 3.9, în care: I,p Curentul de golur propru joncţun B; I,n Curentul de electron propru joncţun B; I r Curentul de recombnare, datorat golurlor (care dfuzează dn emtor în bază) ce se recombnă cu electron (care dfuzează dn bază în emtor); I C,p Curentul de golur njectat de emtor ş colectat de colector; I CB Curentul propru joncţun CB polarzată ners, format atât dn electron mnortar njectaţ dn colector în bază cât ş dn golurle mnortare njectate dn bază în colector, adcă: I = I (3.3) CB C I = Fg. 3.9 Natura curenţlor prntr-un tranzstor pnp în conexune B.C. I CB se ma numeşte ş curent rezdual, fnd practc curentul ners (de saturaţe) al joncţun CB. Se măsoară în conexunea B.C., fnd practc curentul de colector la funcţonarea cu emtorul în gol. În fgura 3. se prezntă o modaltate de punere în edenţă a curentulu I CB ş o schemă cu ajutorul cărea se poate măsura aloarea. Se poate obsera că s-a renunţat la conenţa de semne specfcă joncţun pn ( I CB este curentul ners al joncţun CB), atrbundu-se sensul său real. Rezultă că I CB a aea o aloare poztă, alorle sale uzuale aând ordnul de mărme A (ma mc pentru TB cu slcu). 3.9

10 a) b) Fg. 3. Curentul I CB a) Crcutul curentulu I CB b) Schemă de măsurare Dn fgura 3.9 rezultă curenţ ce curg prn bornele tranzstorulu: Curentul de emtor: I = I + I (3.33),p,n Curentul de colector: I C = IC,p + ICB (3.34) unde I = I I (3.35) C,p,p r Curentul de bază: IB = I,n + Ir ICB (3.36) Se poate obsera cu uşurnţă că I = IC + IB, ceea ce demonstrează că presupunerea făcută în relaţa (3.) este corectă, dec TB poate f consderat ca un nod în crcut. Obseraţe: Pentru (3.33) (3.36) s-a respectat sensul conenţonal (sensul de crculaţe a sarcnlor pozte, adcă a golurlor) al curentulu. Cu alte cunte, fluxurle de electron ş de golur, deş au sensur de deplasare dferte, generează curenţ în acelaş sens. În contnuare se or defn parametr ce caracterzează funcţonarea tranzstorulu, precum ş condţle ce trebue să le îndeplnească aceşta pentru a demonstra (3.3) adcă I I. a) fcenţa emtorulu ( γ ) I,p I,p γ = = (3.37) I I,p + I,n Relaţa (3.37) spune că prma condţe este ca I (curentul de emtor) să fe în majortate un curent de golur, lucru realzabl dacă se îndeplneşte condţa constructă prezentată în paragraful 3... (dopare asmetrcă a baze respect emtorulu). În concluze, în cazul deal γ = (3.38) b) Factorul de transport ( β t ) IC,p IC,p β t = = (3.39) I,p IC,p + Ir Relaţa (3.39) spune că a doua condţe este ca majortatea purtătorlor de sarcnă (golur în cazul de faţă) njectaţ de emtor să ajungă în colector. Acest lucru este realzabl în condţle dopăr asmetrce a joncţun B ş a îngustm baze comparat cu lungmea de dfuze a purtătorlor majortar njectaţ dn emtor. În cazul deal β t = (3.4) c) Factorul de amplfcare în curent, în sens drect în conexunea B.C. ( α F ) Dn (3.33), (3.35), (3.37), (3.39) se poate scre că: 3. C

11 I I I γ = α (3.4),p C,p C,p βt = = : I,p + I,n IC,p + Ir I β ; xemple: În aceste condţ, relaţa (3.34) dene: I C = α FI + ICB (3.4) unde α F = γ βt se numeşte factor de amplfcare în curent în sens drect (Forward, în lmba engleză) în conexunea B.C. (se ma numeşte ş câştg în curent la semnal mare). Condţa ca I CB să fe negljabl, rezultă medat dn (3.33), (3.34) ş (3.35), presupunând îndeplnte (3.38) ş (3.4) În concluze, se poate spune că IC I ş I B << IC ; I dacă sunt îndeplnte cele două cernţe constructe ale unu TB: Joncţunea B este puternc asmetrcă; Grosmea efectă a baze este mult ma mcă decât lungmea de dfuze a purtătorlor majortar dn emtor Componentele curenţlor prn tranzstor în conexunea.c. În această stuaţe, curentul de ntrare este I B ar cel de eşre I C. Schema electrcă, cu două surse de tensune, a unu tranzstor pnp în conexunea.c. pentru ca acesta să fe polarzat în RAN este prezentată în fgura 3.. Dn (3.), (3.3), (3.3) se obţn condţle de polarzare normală a tranzstorulu. k T VB > ; VB >> e (3.43) k T V C << ; VC >> ; VC > VB e (3.44) Obseraţe: Fg. 3. TB (pnp) în conexune.c. Joncţunea CB este polarzată ners deoarece VCB = VB + VC < În acest caz curenţ prn joncţun sunt ce dn fgura 3.9. Cum I = IC + IB ş I C = α FI + ICB se obţne: α F IC = α F ( IC + IB ) + ICB I C = IB + ICB α F α F α F Notând β F = α F (3.45) unde β F este factorul de amplfcare în sens drect curent în conexunea.c., ş IC = ICB = ( βf + ) I CB = I C IB= α F (3.46) unde I C se ma numeşte ş curentul rezdual (de saturaţe) de colector, în conexunea.c. măsurat cu baza în gol. Se obţne: I C = βfib + IC (3.47) Obseraţ: F >> α F =,98 βf = 49 α F =,99 βf = 99 α β F F 3. F

12 Rezultă că se obţne un curent de colector (mplct ş cel de emtor) mult ma mare decât cel de bază. Important: Relaţa I C I >> I B este alablă în orcare dn conexunle în care lucrează tranzstorul. În conexunea.c. (ca ş în C.C.) curentul de eşre este mult ma mare decât curentul de ntrare. Acest lucru oferă o perspectă generoasă în deea de a controla un curent de aloare mare, prn ntermedul unu curent de aloare mcă. I C >> I CB deoarece IC = ( β ) F + ICB. Acest curent rezdual dene mportant pentru tranzstoarele cu S la temperatur ma rdcate, ar pentru cele cu Ge char la temperatura camere. Cu ajutorul relaţe (3.46) se poate constru o schemă electrcă de măsurare a alor curentulu I (fgura 3.). C a) b) Fg. 3. Curentul I C a) Crcutul curentulu I b) Schemă de măsurare C Analzând cu atenţe fgura 3., se poate explca faptul că decât I CB : deoarece joncţunea B este polarzată drect, în componenţa lu curentul de golur ce dfuzează dn emtor în bază, fnd apo preluate de colector. Concluz: Prn dependenţa foarte puterncă a lu β F de dependenţa lu F I C are o aloare ma mare I C ntră ş α F, se pune în edenţă de fapt β faţă de parametr construct (lărgmea baze) ş de materal (gradul de dopare cu mpurtăţ, lungmea de dfuze...). Tranzstorul bpolar oferă un câştg mare în curent, dar dn motele de ma sus plus altele (medu, temperatură) nu se poate cunoaşte aloarea exactă a acestua. De aceea crcutele electronce ce utlzează tranzstoare în ederea amplfcăr unu semnal trebue să se folosească de această caltate ( ) β F >> dar să se protejeze în faţa dsperse acestea. Un crcut electronc nu se a proecta ncodată pentru un tranzstor (mplct pentru o aloare fxă ş constantă a luβ F ) c pentru un anumt tp de tranzstor care este caracterzat de o anumtă plajă de alor ale luβ F. Obseraţ: ) Ţnând cont de rezultatele obţnute în paragraful 3.., adcă de faptul că legătura dntre I ş I C este aceeaş ndferent de tpul tranzstorulu (npn sau pnp), funcţonarea ş relaţle între curenţ în cazul unu TB de tp npn sunt asemănătoare cu cele prezentate pentru TB de tp pnp. În cazul prncpulu de funcţonare, purtător majortar den electron în locul golurlor (ar ce mnortar ners), ar ecuaţle curenţlor sunt aceleaş, cu obseraţa că trebue schmbate sensurle lor. În acest context, autor 3.

13 consderă că cea ma sgură metodă pentru înţelegerea corectă a funcţonăr TB este reluarea (de către cttor) a paragrafelor 3. ş 3.3 pentru aranta npn. ) Funcţonarea TB în conexunea.c. sugerează posbltatea trecer în regunea de saturaţe. Astfel, la funcţonarea în RAN, mărndu-se aloarea curentulu I B, curentul I C a creşte, conform relaţe (3.47), ar aloarea absolută a tensun între colector ş emtor: V = V + R I (3.48) C CC C C se a mcşora. Conform (3.), acest fapt atrage după sne mcşorarea tensun V CB : VCB = VC VB (3.49) în care tensunea V B este practc constantă, joncţunea B fnd polarzată drect. Altfel spus, creşterea curentulu I C înseamnă aproperea TB de funcţonarea în saturaţe. Rezultă că aloarea tensun V C se poate folos pentru a defn lmta între RAN ş regmul de saturaţe: Dacă V > V atunc TB funcţonează în RAN; C B Dacă VC VB atunc TB funcţonează în regmul de saturaţe. Corespunzător relaţlor (3.47) ş (3.48) a exsta o aloare a curentulu I B, ce a f notată I ce a produce curentul I, astfel încât: B sat C sat V B = VC sat = VCC + R CIC sat (3.5) Creşterea curentulu I B peste aloarea I B sat nu a aea corespondent în araţa corespunzătoare relaţe (3.47) a curentulu I C, acesta fnd lmtat la aloarea (teoretcă), VCC IC max : = (3.5) R C ce rezultă dn (3.48) presupunând V C =. Cu alte cunte, la funcţonarea în saturaţe, negljând aloarea curentulu I C, relaţa (3.47) se transformă în negaltate: IC βfib (3.5) Obserând aloarea redusă a tensun V C la funcţonarea în regm de saturaţe, se poate spune că un TB saturat este echalentul (aproxmarea) electronc(ă) unu comutator închs. Dn acest mot, funcţonarea TB în acest regm de lucru stă la baza schemelor de comutaţe electroncă. 3) Dn cele spuse se pot obsera cele două mar categor de aplcaţ ale TB: Aplcaţ lnare, în care TB funcţonează în RAN (amplfcatoare, osclatoare armonce, etc.) Aplcaţ de comutaţe, în care TB funcţonează prn trecer rapde dn regmul de saturaţe (comutator închs) în regmul de blocare (comutator deschs). Aplcaţle clasce ale acestu regm de lucru sunt sursele de almentare în comutaţe (chopper sau Sample Mode Power Supply - SMPS). 3.4 CARACTRISTICIL STATIC AL TRANZISTOARLOR BIPOLAR Caracterstcle statce ale unu TB sunt reprezentărle grafce ale dependenţelor dntre mărmle ce caracterzează funcţonarea sa. Acestea se reprezntă sub forma unor curbe ce descru dependenţele între două mărm, o a trea fnd constantă (parametru). Conenţle de notare ale mărmlor sunt prezentate în fgura 3.3. Se poate obsera că, ndferent de tpul TB (pnp sau npn), tensunle se consderă în acelaş sens ( C, C, CB ), spre deosebre de curenţ, care sunt în conformtate cu sensurle săgeţlor dn smbolur. De 3.3

14 exemplu, la funcţonarea în RAN, tensunle or f pozte pentru TB de tp npn ş negate pentru TB de tp pnp. xstă tre tpur de caracterstc statce ale TB: Caracterstca statcă de eşre, ce reprezntă dependenţa dntre două mărm de eşre, ca parametru fnd o mărme de ntrare (este cea ma utlzată caracterstcă); Caracterstca statcă de ntrare, ce reprezntă dependenţa dntre două mărm de ntrare, ca parametru fnd o mărme de eşre; Caracterstca statcă de transfer, ce reprezntă dependenţa dntre o mărme de eşre ş una de ntrare, ca parametru fnd o mărme dn orcare dn cele două crcute. Mărmle specfce celor tre tpur de caracterstc sunt dferte la cele tre conexun (B.C.,.C., C.C.) ale TB, astfel că or exsta caracterstc statce specfce fecărea Caracterstc statce în conexunea B.C. Mărmle de eşre s cele de ntrare ale unu TB de tp pnp în conexune B.C. pot f urmărte în reprezentarea dn fgura 3.5a Caracterstca statcă de eşre În cazul conexun B.C., caracterstca de eşre reprezntă dependenţa: C = C ( CB ) (3.53) = const Pentru un TB de tp pnp ce lucrează în RAN, dependenţa (3.53) este descrsă de relaţa (3.4). Conform acestea, curentul C este ndependent de aloarea tensun CB, astfel încât, teoretc, caracterstca de eşre ar trebu să fe o famle de ln paralele cu axa. În realtate, datortă tensunlor, la nele fxate de aloarea parametrulu ( ) C smplfcărlor ntroduse de modelul matematc, pot apă abater de la forma deală, cu precădere sub forma alur uşor crescătoare a dreptelor, în specal la alor ma mar ale curentulu. Caracterstcle sunt prezentate în fgura 3.3a. a) b) Fg. 3.3 Caracterstc de eşre ale TB de tp pnp în conexunea BC a) Caracterstca de eşre, cu specfcarea regmurlor de funcţonare b) Detalu al regun de saturaţe Pe caracterstca statcă se pot obsera tre dn cele patru regmur de lucru posble ale TB ş anume: Regunea actă normală (RAN), corespunzătoare polarzăr drecte a joncţun B ş polarzăr nerse a joncţun CB. 3.4

15 Regunea de blocare (tăere), corespunzătoare polarzăr nerse a ambelor joncţun. Deoarece în acest caz curentul este negat (curentul de saturaţe al joncţun B), curentul C poate deen ma mc decât I. Regunea de saturaţe, corespunzătoare polarzăr drecte a ambelor joncţun. În dcb această stuaţe, rezstenţa nternă (dnamcă) a joncţun CB, r d : = se a dc mcşora, fapt ce explcă panta mare a caracterstclor. În fgura 3.3b se prezntă un detalu al caracterstclor corespunzătoare regmulu de saturaţe, în care se poate obsera că polarzarea drectă a joncţun CB atrage după sne modfcarea (mcă) a tensunlor CB care anulează curentul C (caracterstcle nu se suprapun perfect, după cum sugerează fgura 3.3a). Altfel spus, apare o mcă araţe a tensun de deschdere a joncţun CB. O explcaţe ar putea f dependenţa lungm de dfuze a une joncţun polarzate ners de tensunea aplcată. În cazul de faţă, această nfluenţă se traduce în araţa lungm efecte a baze funcţe de tensunea CB ce polarzează ners joncţunea CB în tmpul funcţonăr în RAN (efect arly). Cum potenţalul ntern al joncţun depnde de lungmle de dfuze (.6), rezultă alura dn fgura 3.3b a caracterstclor statce Caracterstca statcă de transfer În cazul conexun B.C., caracterstca de transfer reprezntă dependenţa: = (3.54) C C ( ) V const CB= Releanţa aceste caracterstc se reduce exclus la funcţonarea TB în RAN, deoarece numa în această stuaţe exstă o dependenţă funcţonală între curenţ C ş, dată de relaţa (3.4). Conform acestea, (în cazul deal α F = ) C depnde lnar de, ndependent de aloarea tensun CB, rezultând astfel o sngură caracterstcă de transfer sub forma une drepte paralelă cu prma bsectoare, ca în fgura 3.4a. Caracterstca de transfer reală poate f dedusă dn caracterstca de eşre prn construcţa grafcă prezentată în fgura 3.4b. CB a) b) Fg. 3.4 Caracterstc de transfer ale TB de tp pnp în conexunea B.C. a) caracterstca deală de transfer b) deducerea caracterstc reale dn caracterstca de eşre corespunzătoare funcţonăr în RAN În prncpu, este orba despre fxarea nelelor dorte ale tensun CB ( V CB ş V CB în exemplfcare) ş plasarea pe axa curenţlor a alorlor corespunzătoare ale acestora 3.5

16 (alorle parametrlor ale caracterstclor de eşre). Datortă faptulu că în cazul unu TB real caracterstcle de eşre nu sunt rguros paralele ş nc orzontale, or rezulta caracterstc de transfer sub forma unor curbe (în locul dreptelor deale) ş, respect, dstncte pentru alorle tensun CB. În concluze, un TB real a prezenta o caracterstcă statcă de transfer sub forma unu fasccol de curbe ( aproape drepte), a căru orgne este punctul de ordonată I CB, pe axa curenţlor C. Curbele sunt foarte apropate între ele, după cum sugerează ş fgura 3.4b. C dent, tan( α ) = α F Caracterstca statcă de ntrare În cazul conexun B.C., caracterstca de ntrare reprezntă dependenţa: = (3.55) ( B ) V const CB= Rezultă că practc este orba despre caracterstca dode B, cu nfluenţa asupra acestea a tensun CB. Ţnând cont de faptul că în relaţa (3.4) termenul I CB reprezntă curentul joncţun CB, se poate scre: V CB I C = α FI + ICB exp (3.56) VT sau VCB IC I CB exp V T I = (3.57) α F Rezultă următoarele aspecte caltate: La funcţonarea în RAN ( CB < în cazul TB de tp pnp): o uşoară creştere a curentulu faţă de araţa CB ; La funcţonarea în saturaţe ( CB în cazul TB de tp pnp): mcşorarea curentulu faţă de araţa CB ; Aceste araţ au loc la aceeaş tensune B. În aceste condţ, aspectul caracterstc de ntrare este cel prezentat în fgura 3.5.a. a) b) Fg. 3.5 Caracterstca de ntrare a unu tranzstor pnp în conexunea B.C. a) famla caracterstclor de ntrare b) detalu în zona orgn 3.6

17 Deplasarea în jos a caracterstc în cazul funcţonăr în saturaţe poate f explcată prn mcşorarea curentulu în cazul polarzăr drecte a joncţun CB, datortă njecţe de golur dn colector în bază, ce generează un curent ners faţă de curentul. În fgura 3.5b se prezntă un detalu în zona orgn al caracterstc dn fgura 3.5a, dn care se poate obsera că la funcţonarea în RAN apare ş o uşoară araţe a curentulu de saturaţe al joncţun B, I S, odată cu araţa tensun CB. Varaţa este descrescătoare (adcă I S scade faţă de aloarea sa corespunzătoare la V CB = ), explcaţa fnd efectul arly (curentul ners al une joncţun pn depnde ş de lungmle de dfuze ale purtătorlor de sarcnă, care la rândul lor sunt dependente de tensunea de polarzare a joncţun, în cazul de faţă, CB ) Caracterstc statce în conexunea.c. Mărmle de eşre s cele de ntrare ale unu TB de tp pnp în conexune.c. pot f urmărte în reprezentarea dn fgura 3.5b Caracterstca statcă de eşre În cazul conexun.c., caracterstca de eşre reprezntă dependenţa: C = C ( C ) (3.58) B= const Pentru un TB de tp pnp ce lucrează în RAN, dependenţa (3.58) este descrsă de relaţa (3.47), conform cărea curentul C este ndependent de aloarea tensun C, astfel încât, teoretc, caracterstca de eşre ar trebu să fe o famle de ln paralele cu axa tensunlor, la nele fxate de aloarea parametrulu B. Prn urmare, famla de caracterstc a f asemănătoare cu cele corespunzătoare conexun B.C. Ţnând cont de relaţa între tensunle la termnalele TB, V C = VCB + VB, ş de faptul că la funcţonarea în RAN sau în saturaţe ct V, se poate obsera că se pot V B γ obţne caracterstcle de eşre în conexunea.c. dn cele în conexunea B.C. prntr-o translaţe a axe curentulu C. Ca ş la conexunea B.C., datortă smplfcărlor ntroduse de modelul matematc, caracterstcle reale prezntă abater de la forma deală, cu precădere sub forma alur uşor crescătoare a dreptelor, în specal la alor ma mar ale curentulu B ş ale tensun C. Caracterstcle sunt prezentate în fgura 3.6. Pe caracterstca statcă se pot obsera tre dn cele patru regmur de lucru posble ale TB, ş anume: în conexunea.c. Regunea actă normală (RAN), corespunzătoare polarzăr drecte a joncţun B ş polarzăr nerse a joncţun CB. Regunea de blocare (tăere), corespunzătoare polarzăr nerse a ambelor joncţun. Lmta de tăere este B =, caz în care, conform (3.47), aloarea curentulu de colector a f I C. Dacă joncţunea B se polarzează ners, curentul B dene negat (curentul de saturaţe al joncţun B), astfel încât curentul C poate deen ma mc decât I C. Se defneşte lmta blocăr profunde B = I CB, caz în care, conform (3.47), C = I CB. 3.7 Fg. 3.6 Caracterstc de eşre ale TB de tp pnp

18 Regunea de saturaţe, corespunzătoare polarzăr drecte a ambelor joncţun. În dcb această stuaţe, rezstenţa nternă (dnamcă) a joncţun CB, r d : = se a dc mcşora, fapt ce explcă panta mare a caracterstclor. Lmta regun de saturaţe este V BC = (joncţunea CB la lmta polarzăr drecte), deş în practcă se lucrează cu alor uşor negate, pentru a preîntâmpna saturarea profundă. În acest caz, aloarea tensun V Csat a f cu puţn ma mare decât V γ Caracterstca statcă de transfer În cazul conexun.c., caracterstca de transfer reprezntă dependenţa: C = C ( B ) (3.59) VC = const Toate consderaţle prezentate pentru conexunea B.C. sunt alable ş în noul context, astfel că nu or f reluate. Se preczează doar faptul că, datortă alor mar a factorulu de amplfcare β F, caracterstca nu a ma f paralelă cu prma bsectoare. În fgura 3.7 se prezntă aspectul caracterstc deale de transfer, ar în fgura 3.7b deducerea acestea dn caracterstca de eşre. C dent, în acest caz, tan( α ) = βf Caracterstca statcă de ntrare În cazul conexun.c., caracterstca de ntrare reprezntă dependenţa: = (3.6) B a) b) Fg. 3.7 Caracterstc de transfer ale TB de tp pnp în conexunea.c. a) caracterstca deală de transfer b) deducerea caracterstc reale dn caracterstca de eşre corespunzătoare funcţonăr în RAN B ( B ) V const C = Ca ş la conexunea B.C., rezultă că practc este orba despre caracterstca dode B, cu nfluenţa asupra acestea a tensun C. Dn relaţa (3.56), rezultă: V ( ) C VB IB = I IC = α F I ICB exp (3.6) VT În urma unor obseraţ caltate asemănătoare cu cele corespunzătoare conexun B.C., rezultă următoarele: 3.8

19 La funcţonarea în RAN ( < ; în cazul TB de tp pnp): termenul C B > exponenţal dene negljabl, astfel încât se obţne practc o caracterstcă uncă; La funcţonarea în saturaţe ( C în cazul TB de tp pnp): mcşorarea curentulu B faţă de araţa C ; În aceste condţ, aspectul caracterstc de ntrare este cel prezentat în fgura 3.8. În unele cataloage, caracterstcle statce se prezntă compact, fecare dntre ele într-unul dn cele patru cadrane ale unu sstem de axe rectangulare. dent că în acest tp de reprezentare nu se ma poate edea regmul de tăere, presupunându-se că cttorul este famlarzat cu funcţonarea tranzstorulu (în regmul de tăere curenţ sunt nul sau, cel mult, negljabl). În fgura 3.9 se prezntă o astfel de caracterstcă, pentru conexunea.c. în cadranul este desenată caracterstca de eşre (se poate obsera că a fost edenţat separat începutul zone de blocare profundă); în cadranul caracterstca de transfer; în cadranul 3 caracterstca de ntrare; în cadranul 4 o altă caracterstcă de transfer, C C ( B ) = ct. Fg. 3.8 Caracterstca de ntrare a unu tranzstor pnp în conexunea.c. =. B Fgura 3.9 Caracterstcle statce ale unu TB de tp pnp în conexunea.c APLICAŢII La un TB de tp npn, aând U CB = 6V, se măsoară C =,99mA la = ma ş C =,745mA la =,75mA. Calculaţ parametr α F, specfcată a tensun U CB, în poteza că Rezolare Punctele determnate expermental trebue să erfce relaţa: C = α F + ICB Înlocund alorle măsurate se obţne sstemul de ecuaţ: 3.9 I CB, β ş B la aloarea α F este ndependent de aloarea curentulu C.

20 IC = α + F I I CB IC = α + F I I CB Soluţa sstemulu este: IC I C,99,745 α F = = =,98 I I,75 I C I I I C,745,99,75 ICB = = =,ma = μa I I,75 Factorul de amplfcare este: α F β F = = 49 α F Datortă relaţe C = β B + ( β + ) ICB, rezultă: IC ( β + ) I CB,99 5, IB = = =,ma = μa β 49 F ( β + ) IC I CB,745 5, IB = = =,5mA = 5μA β Un TB de tp pnp, la U CB = 6V are α F =, 98 ş I CB = μ A. Să se determne aloarea curentulu pentru care = C la U CB = 6V, aloarea factorulu de amplfcare β ş curentul B în acest caz, în poteza că α F este ndependent de aloarea curentulu C. Comentaţ aloarea obţnută pentru curentul B. Rezolare Între curenţ ş C exstă relaţa: C = α F + ICB Rezultă că: ICB = α F + ICB = = α F, Factorul de amplfcare este: α F β F = = 49 α F Datortă relaţe C = β B + ( β + ) ICB, rezultă: C ( β + ) ICB 5 5 B = = = β 49 F = 5μA 3.