ELEKTROTEHNKA 10 TRANZTOR Bipolarni tranzistor Ebers-Moll-ov model Područja djelovanja BJT MOFET Područja rada MOFET-a Primjena tranzistora 147
Tranzistor Tranzistori su poluvodički elementi koji se široko koriste u elektronici obavljajući uglavnom zadaće pojačala ili sklopke. Razvijeni su u Bellovim laboratorijima 1948., na tržištu su se pojavili 1952. godine, a danas se izrađuju i koriste u mnogo inačica kao pojedinačne komponente ili dijelovi integriranih krugova. Temelj djelovanja tranzistora su pojave na pn spoju. Naziv potječe od nekadašnjeg opisa djelovanja: TRANfer restor (engl.), mogućeg promatranja njegovog rada kao upravljanog otpora. Osnovne su inačice bipolarni tranzistor i tranzistor upravljan poljem (FET). 10.1. Bipolarni tranzistor Bipolarni tranzistor (BJT bipolar junction transistor) sastoji se od dva pnspoja u redoslijedu npn ili pnp. Dijelovi sastava kao i istoimeni izvodi nazivaju se E emiter, B baza, C kolektor. Rad BJT temelji se na ponašanju i većinskih i manjinskih nositelja u tankoj bazi smještenoj između emitera i kolektora i graničnim područjima uz nju. imbole npn i pnp BJT tranzistora s prikazanim definicijama smjerova struja i raspored slojeva prikazuje slika 10.1. imboli npn i pnp tipa razlikuju se po smjerovima strelica, što vrijedi i za ostale vrste tranzistora. Kako u praksi prevladavaju npn tranzistori, sljedeća razmatranja odnose se na njih. lika 10 1 imboli i načelna građa BJT tranzistora a) npn tip b) pnp tip Ponašanje BJT opisuje se za različite potrebe različitim modelima. tatičko (DC) ponašanje za veliki signal može se opisati Ebers-Moll-ovim modelom sa slike 10.2. lika 10 2 Ebers-Moll-ov model za npn tip tranzistora 148
ELEKTROTEHNKA Model čine zavisni strujni izvori te simboli diode koji simboliziraju pn spojeve. F je struja pn spoja baza-emiter (BE) i ovisi o naponu V BE prema: e T 1 V F = E gdje je E struja zasićenja pn spoja BE. Na pn spoju baza-kolektor (BC) struja R ovisi o naponu V BC prema: VBC e T 1 V R = C gdje je C struja zasićenja pn spoja BC. truje priključaka mogu se izraziti prema. Kirchhoffovom zakonu: VBC VT VT C = αff R = αfe e 1 C e 1 (10.1) (10.2) (10.3) Parametri α imaju značenja: VBC VT VT E = F + αrr = E e 1 + αrc e 1 ( 1 α ) ( 1 α ) B E C F F R R (10.4) = = + (10.5) α F strujno pojačanje u spoju zajedničke baze, α R reverzno strujno pojačanje u spoju zajedničke baze. U oznakama R dolazi od reverznog (engl. reverse), a F od unaprijednog (engl. forward). Reverzno i unaprijedno strujno pojačanje povezuje relacija: Pritom je struja zasićenja α = α = (10.6) R C F E = J A (10.7) gdje je A površina spoja baza-emiter, a J gustoća struje zasićenja za koju vrijedi: s oznakama J qd n 2 n i = (10.8) QB Dn srednja efektivna difuzijska konstanta elektrona ni initrinsična gustoća nositelja u siliciju (ni=1,45 10 10 cm -3 pri 300 K) Q B broj atoma dopiranih u bazu po jediničnoj površini (površinska gustoća) 149
Tranzistor Parametri α R i α F ovise o gustoći nečistoća i dubini poluvodičkog spoja, a iznosi su im manji od 1. Kod pnp tranzistora, smjer dioda u nacrtanom modelu je obrnut, kao i naponski polariteti u jednadžbama. Kako se svaki od dva pn prijelaza može nalaziti u svakoj od dvije moguće polarizacije, postoje četiri područja djelovanja BJT tranzistora: aktivnounaprijedno (engl. forward-active), aktivno-reverzno (engl. reverse-active), zasićenje (engl. saturation) i zapiranje (engl. cut-off). Za npn tranzistor ovisnost područja djelovanja o polarizaciji pn prijelaza mogu se prikazati u koordinatnom sustavu V BC, V BE i tablično (slika 10.3). -VBC - područje zapiranja zaporno zaporno unaprijedno aktivno propusno reverzno aktivno propusno područje zasićenja VBC npn bipolarni tranzistor pn prijelaz baza-kolektor zaporno polariziran propusno polariziran zaporno polariziran područje zapiranja reverzno aktivno pn prijelaz baza-emiter propusno polariziran unaprijedno aktivno područje zasićenja lika 10 3 Područja djelovanja npn bipolarnog tranzistora 10.1.1. Unaprijedno aktivno područje Ostvaruje se pri propusnoj polarizaciji spoja EB i zapornoj polarizaciji spoja BC. To je često radno područje tranzistora i koristi se za pojačavanje signala, osobito u spoju zajedničkog emitera. Kod npn tranzistora većinski nositelji elektroni koji čine glavninu emiterske struje, pri prijelazu propusno polariziranog pn-spoja između emitera i baze nađu se kao manjinski u bazi. Velika većina tih elektrona ne stiže se rekombinirati u tankoj bazi, već privučeni poljem na zaporno polariziranoj baznokolektorskoj barijeri (manjinskim nositeljima iz baze ta polarizacija nije zaporna) prolaze u kolektor čineći kolektorsku struju. Razlika emiterske i 150
ELEKTROTEHNKA kolektorske struje jest mala struja baze kojom se nadoknađuju u bazi rekombinirani nositelji. Uz V BE >0,5 V i V BC <0,3 V jednadžbe (10.3) i (10.4) mogu se pojednostavniti te izlazi C e V T = (10.9) z KZ1 vrijedi te se nakon sređivanja dobije: E V e T = (10.10) α F ( ) = + (10.11) B C E 1 αf V T VT B = e = e (10.12) αf βf gdje je β F strujno pojačanje velikog signala u spoju zajedničkog emitera Očevidno je da vrijedi: β α F F = (10.13) 1 αf = β (10.14) C F B zraz (10.14) često se koristi za najjednostavniji matematički model BJT. U unaprijedno-aktivnom području kolektorska struja praktično ne ovisi o naponu V BC dok je god bazno-kolektorski spoj zaporno polariziran, već samo o prilikama na bazno-emiterskom spoju. Po uzoru na izraz (10.13) može se također definirati i reverzno strujno pojačanje velikog signala u spoju zajedničkog emitera: β α R R = (10.15) 1 αr ako prema izrazu (10.9) glavnu ulogu u upravljanju kolektorske struje C ima napon V BE, u primjenama BJT za pojačanje redovito se koristi linearna ovisnost C o baznoj struji B prema izrazu (10.14). Jedan od razloga je jaka nelinearnost u izrazu (10.9) i time razmjernost raspoloživog raspona kolektorskih struja vrlo zbijenom rasponu napona V BE oko 0.7 V (za silicij). 10.1.2. Reverzno aktivno područje Reverzno aktivno područje postoji pri reverznom prednaponu na BE spoju i propusnom prednaponu BC spoja. Ebers-Moll-ov model u reverznoaktivnom području (V BC >0.5 V i V BE <0.3 V) pojednostavljuje se na: 151
Tranzistor što daje Ovo područje vrlo se rijetko koristi. VBC e V E T B = (10.16) VBC V e T = (10.17) β R = β (10.18) E R B 10.1.3. Područja zasićenja i zapiranja U području zasićenja obje barijere propusno su polarizirane, baza je zasićena nosiocima i tranzistor se ponaša kao uključena sklopka u strujnom krugu (stanje "ON"). Zasićenje se ostvaruje pri malim naponima V CE, a kolektorska struja C razmjerna je gotovo linearno (po Ohmovom zakonu) naponu V CE. U području zapiranja BJT obje barijere polarizirane su reverzno i propuštaju vrlo male reverzne struje, pa se u jednostavnim modelima uzima da vrijedi C = B = E =0. Tranzistor se u strujnom krugu tada ponaša kao isključena sklopka (stanje "OFF"). c (ma) područje zasićenja linearno aktivno područje područje proboja i = 150 μa B 15 1 0 5 120 μa 100 μa 75 μa 50 μa 25 μa i B = 0 područje zapiranja 10 20 VCE (V) lika 10 4 Područja djelovanja BJT na izlaznoj karakteristici C=f(VCE) Kad zaporni napon na BC prijelazu nadmaši dopuštenu vrijednost tranzistor ulazi u područje proboja (breakdown) s porastom kolektorske struje C i termičkim uništenjem. 152
ELEKTROTEHNKA Primjer 10.1 Za neki BJT vrijede sljedeći podaci: površina emitera A=5,0 mm 2, β F =120, β R =0,3, gustoća struje zasićenja J =2 10-10 μa/mm 2 i T=300 K. Treba nacrtati ulaznu karakteristiku B =f(v BE ) pri konstantnom V BC = 1 V u području 0,3<V BE <0,7 V. Rješenje % ulazna karakteristika BJT k=1.381e-23; temp=300; q=1.602e-19; cur_den=2e-10; area=5.0; beta_f=120; beta_r=0.3; vt=k*temp/q; % izraz (6.3) is=cur_den*area; % (10.7) alpha_f=beta_f/(1+beta_f); % iz izraza (10.15) alpha_r = beta_r/(1+beta_r); % iz izraza (10.17) ies=is/alpha_f; % iz izraza (10.6) vbe=0.3:0.01:0.75; ics=is/alpha_r; % iz izraza (10.6) m=length(vbe); for i = 1:m ifr(i) = ies*exp((vbe(i)/vt)-1); % (10.1) ir1(i) = ics*exp((-1.0/vt)-1); % (10.2) ib1(i) = (1-alpha_f)*ifr(i) + (1-alpha_r)*ir1(i); % (10.5) end plot(vbe,ib1) title('ulazna karakteristika BJT') xlabel('napon baza-emiter {\itv}_b_e V') ylabel('struja baze {\it}_b \mua') lika 10 5 lika uz primjer 10.1 153
Primjer 10.2 Tranzistor Tranzistor npn tipa ima emitersko područje od 5,0 mm 2, α F =0,98, α R =0,35 i gustoću struje J =2 10-9 μa/mm 2. Za temperaturu T=300 K treba primjenom Matlab programa nacrtati izlaznu karakteristiku C =f(v CE ) uz V BE =0,65 V. Rješenje %izlazna karakteristika BJT k=1.381e-23; temp=300; q=1.602e-19; cur_den=2.0e-15; area=5.5; alpha_f=0.98; alpha_r=0.35; vt=k*temp/q; is=cur_den*area; ies=is/alpha_f; ics=is/alpha_r; vbe= [0.65]; vce=[0 0.07 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1 2 4 6]; n=length(vbe); m=length(vce); for i=1:n for j=1:m ifr(i,j)= ies*exp((vbe(i)/vt) - 1); vbc(j) = vbe(i) - vce(j); ir(i,j) = ics*exp((vbc(j)/vt) - 1); ic(i,j) = alpha_f*ifr(i,j) - ir(i,j); end end ic1 = ic(1,:); plot(vce, ic1,'b') title('zlazna karakteristika BJT') xlabel('napon kolektor-emiter {\itv}_c_e V') ylabel('kolektorska struja {\it}_c A') text(3,3.1e-4, '{\itv}_b_e = 0,65 V') axis([0,6,0,4e-4]) lika 10 6 lika uz primjer 10.2 154
ELEKTROTEHNKA 10.1.4. h-parametri četveropola Četveropol se može također opisati h-parametrima: V1 = h111 + h12v2 = h + h V 2 21 1 22 2 gdje su 1 i V2 nezavisne varijable, a V1 i 2 zavisne varijable. U matričnom obliku to izgleda ovako: V h h 1 11 12 1 = 2 h21 h22 V 2 h-parametri mogu se pronaći na ovaj način: h h V V = h = 1 1 11 V2= 0 12 1= 0 1 V2 = h = 2 2 21 V2= 0 22 1= 0 1 V2 (10.19) (10.20) (10.21) h-parametri se također zovu hibridni parametri, jer sadrže parametre za otvoreni (1=0) i zatvoreni (V2=0) krug. Primjer 6.6 Mreža na slici prikazuje pojednostavljeni model bipolarnog tranzistora (bipolar junction transistor). Treba naći njegove h-parametre: 1 Z 1 2 + + V 1 β 1 Y 2 V 2 lika 10 7 BJT - bipolarni tranzistor Koristeći KZ1 za ulaz dobije se: a koristeći KZ2 za izlaz dobije se: 155 V = Z 1 1 1 = β + Y V 2 1 2 2 što daje h-parametre u matričnom obliku: [ h ] Z1 0 = β Y 2
Tranzistor 10.2. FET Tranzistori s efektom polja FET (field effect transistor) su vrsta tranzistora za čije se upravljanje ne koristi ulazna struja kao kod BJT, već napon, te se pomoću električnog polja utječe na struju kroz vodljivi kanal. Pokretni nosioci naboja nisu većinski i manjinski kao kod BJT, već samo jednog polariteta: elektroni kod n-kanalnog FET-a i šupljine kod p-kanalnog FET-a. Danas prevladavaju n-kanalne izvedbe zbog boljih svojstava, pa se razmatranja odnose na njih. Postoje dvije osnovne inačice: JFET (stariji, danas manje korišten) i MOFET. 10.2.1. MOFET Metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOFET) je element sastavljen od četiri područja: vrata (engl. gate), izvor (engl. source), odvod (engl. drain) i podloga (engl. substrate), te izvodima za vrata (G), izvor () i odvod (D). Visokovodljiva (npr metalna) vrata odvojena su vrlo tankim i visoko kvalitetnim izolatorom (npr. io 2 ) prema modelu strukture na slici 10.8. osiromašeni tip obogaćeni tip lika 10 8 Model strukture i simboli n-kanalnog MOFETa Razlikuju se dva tipa: obogaćeni (enhancement) i osiromašeni (depeletion). U obogaćenom tipu MOFET-a vodljivi kanal između izvora i odvoda nastaje tek primjenom napona na vratima G. Primjerice, kod n-kanalnog obogaćenog tipa MOFETa vodljivi kanal između jako dopiranih n-područja izvora i odvoda D nastaje tek kad dostatno pozitivni napon na vratima V G influencijskim djelovanjem potisne većinske šupljine dublje u podlogu, a privuče elektrone i učini ih u kanalu ispod vratiju većinskim nositeljima ("obogaćivanje kanala"). a) b) c) lika 10 9 Nastajanje n-kanala porastom VG pri VD = 0 u obogaćenom tipu MOFETa a) VG 0, šupljine u podlozi ispod vratiju G; osiromašena područja samo uz i D b) V G > 0, šupljine se odmiču od G, ispod vratiju nastaje osiromašeno područje c) V G 0, vrata privlače elektrone i nastaje vodljivi kanal između i D 156
ELEKTROTEHNKA Napon V G =V T pri kojem se formira kanal naziva se okidni (engl. threshold). U osiromašenom tipu MOFET-a postoji vodljivi kanal između izvora i odvoda i pri nultom naponu na vratima (V G =0), a okidni je napon negativan. U oba slučaja promjenom napona na vratima kapacitivnim (influencijskim) djelovanjem utječe se na vodljivost kanala, a time i na iznos struje između odvoda i izvora. D D 157 0 VT VG VT 0 VG a) b) lika 10 10 Prijenosna karakteristika MOFETa a) obogaćeni tip b) osiromašeni tip U statičkim uvjetima struja vratiju praktično ne teče ( G =0) zbog izolacijskog sloja između vrata i kanala, što znači da MOFET ima veliku ulaznu impedanciju i da se upravljanje struje kanala D = ostvaruje bez utroška snage. MOFET može raditi u tri područja: zapiranju, triodnom i zasićenju. 10.2.1.1. Područje zapiranja Zapiranje (engl. cut-off) se ostvaruje kad je napon V G niži od okidnog V T : V G < V (10.22) truja odvoda D jednaka je nuli za sve vrijednosti napona odvod-izvor V D jer nema uvjeta za vodljivi kanal. Obogaćeni n-kanalni MOFET ima pozitivan okidni napon V T, a osiromašeni negativan. 10.2.1.2. Triodno (omsko) područje Kad je V G >V T (kanal postoji) i V D (V G V T ), dakle vrijednosti V D su male, MOFET radi u triodnom području i ponaša se kao nelinearni, naponom kontrolirani otpor. truja D raste pri porastu napona V D sa sve manjim gradijentom, koji na granici triodnog područja postaje jednak nuli (slika 10.9 b). U triodnom području kanal se sužuje prema odvodu D jer je tamo influencijsko djelovanje slabije zbog manjeg polja. Porastom napona V D kanal se uz odvod još više sužuje prema iščezavanju (pinch off). Granica triodnog područja nalazi se pri VD = VG VT, tj. za niže vrijednosti V G pri manjim iznosima V D. T
Tranzistor lika 10 11 Presjek obogaćenog n-kanalnog MOFETa a) u triodnom području pri VD (VG VT) kanal postoji i uži je pri D; struja D ovisi i o VG i o VD b) povišenjem VD na VD=VG VT kanal pri D iščezava; dostiže se granica triodnog područja, osiromašeno područje u blizini D se proširuje c) Pri VD >(VG VT) točka iščezavanja kanala (pinch off) pomiče se prema izvoru ; osiromašeno se područje još više proširuje; napon VD ne utječe na struju, već samo VG 158
ELEKTROTEHNKA 10.2.1.3. Područje zasićenja MOFET je u zasićenju pri: VD VG VT (10.23) U tom se području pri povećanju napona V D točka zatvaranja kanala (vrh trokuta na slici 10.8 b)) pomiče od odvoda D prema izvoru. z kanala injektirani elektroni s te točke stižu kroz osiromašeno područje na odvod. Na iznos struje D ne utječe napon V D već samo V G. lika 10 12 Karakteristike MOFETa a) prijenosna, b) izlazne Područje zasićenja slično je po ovisnosti struje i napona unaprijednoaktivnom području BJT i slično se upotrebljava. Primjer 6.5 Mreža na slici prikazuje pojednostavljeni model FET-a (Field Effect Transistor-a). Treba naći njegove y-parametre. + 1 2 + C 3 V 1 C 1 gm V1 Y2 V 2 lika 10 13 FET Koristeći KZ2 dobije se: 159
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = V sc + V V sc = V sc + sc + V sc 1 1 1 1 2 3 1 1 3 2 3 = V Y + g V + V V sc = V g sc + V Y + sc 2 2 2 m 1 2 1 3 1 m 3 2 2 3 Prema tomu, y-parametri pojednostavljenog FET-a su: [ Y ] sc1 + sc3 sc3 = gm sc3 Y2 + sc3 Tranzistor 10.2.2. JFET pojni tranzistor ili JFET (junction field effect transistor) čiju načelnu građu i simbole prikazuje slika 10.10 ima izvode i pripadna područja s nazivima i oznakama: vrata G (engl. gate), izvor ili uvod (engl. source) i odvod D (engl. drain). U simboličkom prikazu n-kanalne izvedbe osnova n-tipa izvedena je na izvor i odvod D, dok je bočno ubačeno područje p-tipa izvedeno na vrata G (kod p-kanalne izvedbe tipovi su obrnuti). D D G G D D D D D G n p G p n G p n G p n G p n VD VG VG a) b) c) d) e) lika 10 14 JFET a) simbol i načelna građa n-kanalnog, b) simbol i načelna građa p-kanalnog, c) osiromašeno pn područje bez vanjske polarizacije, d) osiromašeno područje širi se pretežno u kanal pri naponima VG<0, VD=0, e) pri naponima VG<0, VD > 0 osiromašeno pn područje promjenljive je širine Na pn prijelazu stvara se osiromašeno područje koje uglavnom zahvaća u slabije dopirani kanal. Za V G =0 i V D =0 osiromašeno je područje razmjerno usko i jednolike širine na pn granici, te je kanal širok. Uz V D =0 i V G <0 (porast zaporne polarizacije) osiromašeno se područje s karakteristikama izolatora širi u kanal, a kanal sužuje. Pri nekom naponu V G =V T (npr. 3 V) kanal iščezava. Širina kanala, a time i mogućnost prolaza struje kroz kanal mogu se dakle upravljati naponom V G. Negativniji V G znači uži kanal i manju struju. Povišenjem V D od nule u blizini odvoda D osiromašeno područje se širi, a kanal sužuje (triodno 160
ELEKTROTEHNKA područje). Ako se V D još poveća, dolazi do iščeznuća kanala i pri V D > (V G V T ) JFET ulazi u područje zasićenja. JFET ima karakter osiromašenog FETa, a obogaćeni ne postoji. 161 10.3. Primjena tranzistora Tranzistori se izrađuju različitim tehnologijama kojima se postižu različita svojstva. Među parametrima tranzistora ističu se granično dopuštene vrijednosti napona i struja te oni kojima se opisuju dinamičke mogućnosti. Tranzistori se pojavljuju kao pojedinačni elementi, a nalaze se i integrirani u složenije komponente ostvarujući zajedno s drugim elektroničkim elementima sklopove s definiranim funkcijama. U strujnom krugu djelovanje tranzistora svodi se najčešće na upravljanje strujom nekog trošila. Promjene te struje služe u informacijske svrhe ili su u funkciji upravljanja energijom trošila. Tranzistori namijenjeni upravljanju energijom pripadaju tranzistorima snage. Energija potrebna za upravljanje tranzistora obično je znatno manja od upravljane. Zbog prolaska struje tranzistor se zagrijava i potreban je primjeren odvod topline kako bi temperatura na pn-spojevima ostala u dopuštenim granicama. Ponašanje tranzistora u strujnom krugu ovisi i o načinu spajanja izvoda u strujni krug. Ako se elementarni strujni krug s tranzistorom promatra kao četveropol, postoji ulazni (upravljački) i izlazni (upravljani) krug. Ovisno o tome koji je izvod zajednički za ulazni i izlazni krug, moguć je spoj tranzistora sa zajedničkim emiterom, kolektorom ili bazom (kod BJT), te sa zajedničkim izvorom, odvodom ili vratima (kod MOFET-a i JFET-a). vaka konfiguracija ima različita svojstva koja se mogu opisivati različitim vrstama parametara kao i svi četveropoli. Najčešće se koriste spojevi sa zajedničkim emiterom i zajedničkim izvorom. Tranzistori se praktično nalaze u dvije osnovne primjene: u funkciji uklapanja i isklapanja te u funkciji pojačavanja. Funkcija sklopke koristi se pri upravljanju energijom trošila i u digitalnoj tehnici, a funkcija pojačanja u različitim pojačalima. tanje uključene sklopke tranzistor približno postiže ako se radna točka nalazi u području zasićenja (BJT) ili triodnom području (FET). tanje isključene sklopke tranzistor postiže kad se radna točka nalazi u području zapiranja. Za dovođenje u željeno stanje potrebno je da upravljačka veličina (struja baze kod BJTa, napon V G kod FETa) poprimi potrebnu vrijednost. Glavne nesavršenosti tranzistorskih sklopki jesu napon različit od nule u stanju uključene sklopke, struja različita od nule u stanju isključene sklopke, ograničena brzina uklapanja i isklapanja, što ima za posljedicu ograničenje frekvencije uklapanja-isklapanja i intenzivnije zagrijavanje.
Tranzistor BJT su prirodno pojačala struje: malena bazna struja upravlja veću kolektorsku. truju izvora kod FETa upravlja ulazni napon V G. Za postizavanje naponskih promjena razmjernih promjenama struja u izlaznom krugu treba u taj krug priključivati radni otpor (impedanciju). Radna točka mirovanja za tranzistor u funkciji pojačala nalazi se u unaprijedno-aktivnom (BJT) ili području zasićenja (FET). Ostvarivanje uvjeta za pozicioniranje radne točke mirovanja naziva se polarizacija baze (ili vratiju). Za različite potrebe pojačanja koriste se različiti nadomjesni modeli tranzistora. Osim BJT i FET tranzistora postoje i druge vrste tranzistora te mnogo podvrsta. Pri upravljanju većim snagama uz spomenute vrste tranzistora od osobitog je značaja komponenta s nazivom GBT (insulated gate bipolar transistor). GBT sjedinjuje povoljna svojstva FETa (naponsko upravljanje) i BJT (brzina i mali napon u stanju uključene sklopke). U upravljačkom dijelu sadrži MOFET, a u izlazu BJT prema nadomjesnoj shemi na slici. lika 10 15 imboli i nadomjesna shema n-kanalnog GBT 162