ΚΔΦAΛΑΗΟ 4 ΣΟ ΓΗΠΟΛΗΚΟ ΣΡΑΝΕΗΣΟΡ (BJT) 4.1. Σο Σρανδίζηορ Η εμέιημε ηεο ηερλνινγίαο ηεο ειεθηξνληθήο κέρξη ηα ηέιε ηεο δεθαεηίαο ηνπ 1940, αθνινπζνύζε ηνπο ξπζκνύο αλάπηπμεο όισλ ησλ άιισλ θιάδσλ ηεο βηνκεραλίαο. Όκσο, από ηελ επνρή εθείλε, ε αλαθάιπςε ηνπ ηξαλδίζηνξ (transistor : transfer resistor) επέθεξε ξαγδαία κεηαβνιή ζηνλ ηνκέα απηό. Πξάγκαηη, ε δπλαηόηεηα θαηαζθεπήο ελόο ζρεηηθά απινύ ειεθηξνληθνύ ζηνηρείνπ, επέηξεςε ηε ζρεδίαζε ειεθηξνληθώλ θπθισκάησλ θαη ζπζηεκάησλ κε εμαηξεηηθέο ηδηόηεηεο ζηελ αμηνπηζηία, ζηε κηθξή θαηαλάισζε ηζρύνο, ζηνλ ειάρηζην όγθν θαηαζθεπήο, ζηηο κηθξέο απαηηήζεηο ηξνθνδνζίαο θ.α. Σπλέρεηα ηεο εμέιημεο απηήο ππήξμε ε νινθιήξσζε ηεο θαηαζθεπήο - ζηελ αξρή κεξηθώλ, αξγόηεξα πνιιώλ ρηιηάδσλ ηέηνησλ ζηνηρείσλ ζε έλα πιαθίδην ( ή ςεθίδα - chip). Η παξνπζίαζε ηνπ ηξαλδίζηνξ ζα γίλεη ζηα θεθάιαηα 4, 5 θαη 9 όπνπ αληίζηνηρα ζα παξνπζηαζζνύλ ε έλλνηα θαη ε αξρέο ιεηηνπξγίαο ησλ δηπνιηθώλ ηξαλδίζηνξ (BJT), ησλ ηξαλδίζηνξ εγθαξζίνπ πεδίνπ (FET, MOSFET) θαη νη βαζηθέο έλλνηεο ελίζρπζεο γηα κηθξά ζήκαηα. 4.2. Σετνολογία καηαζκεσής Τν ηξαλδίζηνξ ελώζεσο ζρεκαηίδεηαη, όηαλ ζηνλ θξύζηαιιν εκηαγσγνύ ελόο ηύπνπ παξεκβιεζεί ζώκα θξπζηάιινπ δηαθνξεηηθνύ ηύπνπ εκηαγσγνύ. Δεκηνπξγείηαη έηζη κία δηπιή έλσζε εκηαγσγώλ ηύπνπ pnp ή npn. Η έλσζε κεηαμύ ησλ δπν δηαθνξεηηθνύ ηύπνπ εκηαγσγώλ δηέπεηαη από ηηο ίδηεο ηδηόηεηεο πνπ πεξηγξάθεθαλ ζηελ έλσζε κηαο απιήο δηόδνπ. Η δνκή ηεο θαηαζθεπήο ελόο ηξαλδίζηνξ npn κε ηελ ηερλνινγία ηεο δηαρύζεσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 4.1. Τν ζύκβνιν ησλ ηξαλδίζηνξ παξηζηάλεηαη ζην ζρήκα 4.2. Τν βέινο ζην έλα άθξν πνπ ιέγεηαη εθπνκπόο δείρλεη ηε θνξά ηνπ ξεύκαηνο. Τα άιια ειεθηξόδηα είλαη ε βάζε (ζην κέζν) θαη ν ζπιιέθηεο. Η έλσζε ηνπ εθπνκπνύ θαη ηεο βάζεσο πνιώλεηαη νξζά, ελώ ε έλσζε ζπιιέθηε - βάζεο αλάζηξνθα. τήμα 4.1 τήμα 4.2 Αλάινγε είλαη ε θαηαζθεπή ελόο pnp ηξαλδίζηνξ. Γηα ην pnp ηξαλδίζηνξ, ην ξεύκα ζηνλ εθπνκπό θαηεπζύλεηαη πξνο ην ζώκα ηνπ ηξαλδίζηνξ θαη ζπλεπώο ην βέινο είλαη αληίζεηεο θνξάο από απηήλ ηνπ ζρήκαηνο 4.2 4.3. Σο ηρανδίζηορ ζε πόλωζε ζσνετούς ρεύμαηος Γηα λα ιεηηνπξγήζεη ην ηξαλδίζηνξ ζα πξέπεη λα πνισζεί νξζά ε έλσζε εθπνκπνύ - βάζεο θαη αλάζηξνθα ε έλσζε ζπιιέθηε - βάζεο. Η κε ηέηνην ηξόπν επηβαιιόκελε πόισζε θαίλεηαη ζην ζρήκα 4.3 θαη ηα ξεύκαηα πνπ δηαξξένπλ ηνπο αθξνδέθηεο ηνπ ηξαλδίζηνξ αλαιύνληαη παξαθάησ.
τήμα 4.3 Τν ξεύκα εθπνκπνύ I E απνηειείηαη από ξεύκα νπώλ I pe θαη ξεύκα ειεθηξνλίσλ I ne. Επεηδή ν εθπνκπόο είλαη πνιύ πεξηζζόηεξν λνζεπκέλνο απ ό,ηη ε βάζε (ππάξρνπλ, δειαδή, πνιύ πεξηζζόηεξεο νπέο ζηνλ εθπνκπό απ ό,ηη ειεθηξόληα ζηε βάζε), ακειώληαο ην ξεύκα ειεθηξνλίσλ I ne κπνξνύκε λα πνύκε όηη I E I pe. Έλα κηθξό πνζνζηό απηνύ ηνπ ξεύκαηνο (1-α)I E αλαζπλδέεηαη κε ειεθηξόληα ζηε βάζε, αιιά ην κεγαιύηεξν κέξνο νδεύεη πξνο ην ειεθηξόδην ηνπ ζπιιέθηε πνπ είλαη ειεθηξαξλεηηθόηεξν από ηε βάζε. Απηό ην κέξνο ηνπ I E πνπ θζάλεη ζην ζπιιέθηε είλαη ην αi E όπνπ α ζηαζεξά κε ηηκή θνληά ζηε κνλάδα. Ακειώληαο πξνο ζηηγκή ηελ έλσζε εθπνκπνύ - βάζεο, ζεσξνύκε ηελ αλάζηξνθα πνισκέλε δίνδν ηνπ ζπιιέθηε κε ηε βάζε. Εθεί έρνπκε έλα αλάζηξνθν ξεύκα θόξνπ I CBO, ην νπνίν είλαη πνιύ κηθξόηεξεο ηηκήο θαη απνηειείηαη από ξεύκα νπώλ I pcbo θαη ειεθηξνλίσλ I ncbo θαη απηό. Θεσξώληαο ηώξα ηηο δπν ζπληζηώζεο ηνπ ξεύκαηνο ζπιιέθηε κπνξνύκε λα πνύκε όηη ην ξεύκα απηό δίλεηαη από ηε ζρέζε : I C = α I E + I CBO (4.1) Μηα άιιε ζρέζε πνπ ζπλδέεη ηα ηξία ξεύκαηα εθπνκπνύ, βάζεο θαη ζπιιέθηε είλαη ε αθόινπζε : I E = I B + I C (4.2) Με ηελ αύμεζε ηεο αλάζηξνθεο ηάζεο V CB, κεγαιώλεη ην εύξνο ηεο πεξηνρήο ησλ αθάιππησλ θνξηίσλ ζηελ έλσζε ζπιιέθηε - βάζεο. Επεηδή, όκσο, ε βάζε είλαη ιηγόηεξν λνζεπκέλε κε πξνζκίμεηο από ην ζπιιέθηε, ε επέθηαζε ηεο πεξηνρήο ησλ αθάιππησλ θνξηίσλ γίλεηαη κέζα ζηελ πεξηνρή ηεο βάζεο, ην κεηαιινπξγηθό εύξνο ηεο νπνίαο κηθξαίλεη (θαηλόκελν Early). Η κείσζε ηνπ εύξνπο ηεο βάζεο, κηθξαίλεη ηελ πηζαλόηεηα αλαζπλδέζεσλ ηνπ I pe ζηελ πεξηνρή απηή θαη έηζη απμάλεηαη ην α. Απμάλεηαη, επίζεο, θαη ην I pe (I E ). Πεξαηηέξσ αύμεζε ηεο V CB, κπνξεί λα κεηώζεη ηόζν ην εύξνο ηεο βάζεο, ώζηε λα ζπκβεί δηάηξεζε θαη λα θαηαζηξαθεί ην ηξαλδίζηνξ. 4.4. σνδεζμολογία Κοινής Βάζες C.B. Σην ζρήκα 4.4 θαίλεηαη ε ζπλδεζκνινγία ηνπ θπθιώκαηνο θνηλήο ή γεησκέλεο βάζεο. τήμα 4.4. Οη ραξαθηεξηζηηθέο εηζόδνπ ηνπ ηξαλδίζηνξ (ραξαθηεξηζηηθέο εθπνκπνύ) δίλνληαη ζην ζρήκα 4.6, νη ραξαθηεξηζηηθέο εμόδνπ (ραξαθηεξηζηηθέο ζπιιέθηνπ) ζην ζρήκα 4.7, ελώ γηα ζύγθξηζε ζην ζρήκα 4.5 δίλεηαη ε ραξαθηεξηζηηθή κηαο δηόδνπ.
I I Ι c(ma) IE=20mA VCB >1V VCB=0-20 IE=15mA IE=10mA Χαπακηηπιζηική Γιόδου V V IE=5mA 0.5V 5 10 15 20 V CB Χαπακηηπιζηική ειζόδου transistor (εκπομπού) Χαπακηηπιζηική εξόδου (ζυλλέκηη) τήμα 4.5. τήμα 4.6. τήμα 4.7. Παξαηεξνύκε ηελ νκνηόηεηα ησλ ραξαθηεξηζηηθώλ εηζόδνπ κε απηή ηεο δηόδνπ. -10 IE=0 Σηηο ραξαθηεξηζηηθέο εμόδνπ παξαηεξνύκε ηηο δηάθνξεο πεξηνρέο ελδηαθέξνληνο. Γηα I E = 0, ην I C παίξλεη ηελ ηηκή I CBO, ην ηξαλδίζηνξ παύεη λα ιεηηνπξγεί θαη ε πεξηνρή απηή είλαη ε πεξηνρή απνθνπήο. Η πεξηνρή ησλ ηάζεσλ V CB θνληά ζην κεδέλ θαιείηαη πεξηνρή θόξνπ, όπνπ νη δπν ελώζεηο εθπνκπνύ - βάζεο θαη ζπιιέθηε - βάζεο είλαη νξζά πνισκέλεο. Η ππόινηπε πεξηνρή πνπ ην ξεύκα I C παξακέλεη ζηαζεξό, είλαη ε ελεξγόο πεξηνρή ηνπ ηξαλδίζηνξ. Τν ηξαλδίζηνξ ζα δηαθόπηεο on off ιεηηνπξγεί κόλν ζηηο πεξηνρέο θόξνπ - απνθνπήο αληίζηνηρα, ελώ όηαλ ιεηηνπξγεί ζαλ εληζρπηήο βξίζθεηαη ζηελ ελεξγό πεξηνρή. 4.5. σνδεζμολογία Κοινού ΔκπομπούC.E. Η ζπλδεζκνινγία θνηλνύ ή γεησκέλνπ εθπνκπνύ θαίλεηαη ζην ζρήκα 4.8. τήμα 4.8. Γξάθνληαο μαλά ηηο εμηζώζεηο πνπ ζπλδένπλ ηα ξεύκαηα ησλ αθξνδεθηώλ έρνπκε : θαη I C = α I E + I CBO (4.1) I E = I B + I C (4.2) Η (4.1) ιόγσ ηεο (4.2) γίλεηαη : I C = α (I B + I C ) + I CBO I C = I B α / (1-α) + I CBO /(1-α) ( 4. 3 ) Αλ θαιέζνπκε ην ιόγν β α /(1-α) έρνπκε : I C = β I B +(1+β) I CBO (4.4) Επεηδή ην I CBO είλαη πνιύ κηθξό κπνξνύκε λα πνύκε όηη : I C βi B (4.5)
Θπκίδνπκε όηη ην I CBO είλαη ην αλάζηξνθν ξεύκα θόξνπ, ιόγσ ηεο αλάζηξνθεο πόισζεο C - B. Ο όξνο I CBO /(1-α) = (1+β) I CBO I CEO όπνπ ην I CEO είλαη ην ξεύκα απνθνπήο θαη ζπκβαίλεη όηαλ I B = 0 θαη ζπλεπώο I E = I C = I CEO. Επεηδή β α /(1-α) θαη ε ηηκή ηνπ α είλαη πνιύ θνληά ζηε κνλάδα, κηθξή κεηαβνιή ηνπ α ζπλεπάγεηαη κεγάιε κεηαβνιή ηνπ β. I Β (ma) Ι c(ma) -0.3 IB=-1mA -0.2 VCE >1V -50 IB=-0.8mA -0.1-0.5-1 V BE -40-30 -20-10 IB=-0.6mA IB=-0.4mA IB=-0.2mA IB=0-2 -4-6 -8-10 -12-14 τήμα 4.9. τήμα 4.10. V CE Οη ραξαθηεξηζηηθέο εηζόδνπ θαίλνληαη ζην ζρήκα 4.9, ελώ νη ραξαθηεξηζηηθέο εμόδνπ ζην ζρήκα 4.10. εμείωζε : Όζα ξεύκαηα ηνπ ηξαλδίζηνξ θαηεπζύλνληαη πξνο απηό, ζεσξνύληαη ζεηηθά, ελώ όζα απνκαθξύλνληαη, ζεσξνύληαη αξλεηηθά. Τν άζξνηζκα ησλ ηάζεσλ ηνπ ηξαλδίζηνξ είλαη κεδέλ, δειαδή V BE + V EC + V CB = 0. Τν ηξαλδίζηνξ ζηε ζπλδεζκνινγία θνηλνύ εθπνκπνύ έρεη ηηο πεξηζζόηεξεο εθαξκνγέο ζαλ εληζρπηήο ξεύκαηνο ή / θαη ηάζεσο. Από ηηο ραξαθηεξηζηηθέο εμόδνπ δηαθξίλνληαη νη δηάθνξεο πεξηνρέο ιεηηνπξγίαο. Γηα I B = 0 I C = I CEO έρνπκε ηελ πεξηνρή απνθνπήο. Γηα ηάζεηο V EC θνληά ζην κεδέλ, νη δπν ελώζεηο είλαη νξζά πνισκέλεο (πεξηνρή θόξνπ). Η ππόινηπε πεξηνρή είλαη ε ελεξγόο πεξηνρή. Ζ έννοια ηες ενίζτσζες : Μηα κηθξή κεηαβνιή ηνπ ξεύκαηνο βάζεο, π.ρ. 0,2 sinσt ma, πξνθαιεί κεηαβνιή ηνπ ξεύκαηνο I C πεξίπνπ 10 sinσt (ζρ.4.10 θαη 4.11) τήμα 4.11. I B εξεκίαο = (V CC - V BE ) / Rb = (V ΕC - 0,7) / Rb Επζεία θνξηίνπ: U CE = V CC - I C R C 4.6. Παράμεηροι και ησπικές ηιμές ηοσ ηρανδίζηορ Ο ιόγνο ηνπ ξεύκαηνο ζπιιέθηε I C, πξνο ην ξεύκα βάζεο I B, ιέγεηαη θέξδνο ξεύκαηνο dc θαη ζπκβνιίδεηαη h FE. Είλαη, δειαδή, h FE = I C/ IB.
Η h FE είλαη κηα ρξήζηκε παξάκεηξνο, πνπ δίλεηαη από ηνλ θαηαζθεπαζηή πξνθεηκέλνπ λα θαζνξηζηνύλ ηα όξηα ηεο πεξηνρήο θόξνπ. Εάλ γλσξίδνπκε ην V CC IC (ππνζέηνληαο θόξν), ηόηε ν ιόγνο I C/ hfe RL δίλεη ην ειάρηζην ξεύκα I B, πξνθεηκέλνπ λα παξακείλεη ην ηξαλδίζηνξ ζηνλ θόξν. Από ηνλ νξηζκό ηεο a 1 a παξακέηξνπ βξίζθνπκε όηη I I C C I I CBO CBO, θαη επεηδή ην I CBO είλαη πνιύ κηθξό σο πξνο ηα I C θαη I B, ρσξίο κεγάιν ιάζνο κπνξνύκε λα ππνζέζνπκε (όηαλ δελ καο δίλεηαη αιιηώο), όηη β h FE. Άιιε κηα ρξήζηκε παξάκεηξνο είλαη ην θέξδνο αζζελνύο ζήκαηνο, ην νπνίν δίλεηαη από ηελ αθόινπζε ζρέζε : h fe I I C B V CE Τν h fe εμαξηάηαη από ηελ ηηκή ηνπ I C. Πάλησο, ζε όιεο ηηο πεξηνρέο ηνπ ξεύκαηνο I C, ην h FE θαη ην h fe δηαθέξνπλ ιηγόηεξν από ην 20% ηεο ηηκήο ηνπο. Τππηθέο ηηκέο ηάζεσλ γηα ην ηξαλδίζηνξ ππξηηίνπ (Si) είλαη : V CE θόξνπ V BE θόξνπ V BE ελεξγνύ πεξηνρήο V BE αγσγήο V BE απνθνπήο V CE SAT = 0,2 V V BE SAT = 0,8 V V BE active = 0,7 V V CE cut-in = 0,5 V V CE cut-off = 0,0 V 4.7. σνδεζμολογία κοινού ζσλλέκηε C.C. Τν θύθισκα ηνπ ηξαλδίζηνξ ζε ζπλδεζκνινγία θνηλνύ ζπιιέθηε θαίλεηαη ζην ζρήκα 4.12. Απηή ε ζπλδεζκνινγία κνηάδεη αξρηθά κε εθείλε ηνπ θνηλνύ εθπνκπνύ, ε δηαθνξά βξίζθεηαη ζην ζεκείν πνπ παίξλεηαη ε έμνδνο. τήμα 4.12 Η αληίζηαζε θνξηίνπ βξίζθεηαη ζην θύθισκα ηνπ εθπνκπνύ. Σηελ απνθνπή δελ πεξλά ξεύκα από ην θνξηίν, νπόηε V O 0 V. Σηελ θαηάζηαζε θόξνπ όιε ε ηάζε ηξνθνδνζίαο - πιελ κηαο κηθξήο πηώζεο ηάζεο πάλσ ζηελ V CE - εκθαλίδεηαη ζην θνξηίν R L. 4.8. Σο θωηοηρανδίζηορ Τν θσηνηξαλδίζηνξ είλαη αλάινγν ηεο θσηνδηόδνπ ζηνηρείν αιιά κε δπν επαθέο (pnp ή npn), όπνπ ε ελεξγόο επαθή είλαη απηή ηνπ ζπιιέθηε κε ηε βάζε. Η ζπλδεζκνινγία θαη νη ραξαθηεξηζηηθέο θαίλνληαη ζηα ζρήκαηα 4.13α θαη 4.13β.
Ι c ( m A ) 8 6 4 2 5 10 15 20 25 30 Ανάζηποθη ηάζη 8 Η=mW/cm 2 5 3 2 1 V CE τήμα 4.13α. τήμα 4.13β. Χσξίο θσηηζκό, έρνπκε από ηελ εμίζσζε (4.4) θαη γηα I B = 0 : I C = (1+β) I CEO. Με επηβαιιόκελν θσηηζκό έρνπκε I C = (1+β) (I CEO + I L ), όπνπ I L είλαη ε ζπληζηώζα ηνπ αλάζηξνθνπ ξεύκαηνο θόξνπ, πνπ νθείιεηαη ζηελ επίδξαζε ηνπ θσηηζκνύ.