LUCRAREA NR. 6 TRANZISTORUL BIPOLAR 1. Structură şi procese fizice în TB convenţional Tranzistorul bipolar (TB) convenţional reprezintă un dispozitiv semiconductor cu trei terminale, a cărui funcţie principală este cea de amplificare liniară a semnalelor electrice. Constructiv acest tip de tranzistor constă din două joncţiuni pn "cuplate" între ele prin intermediul purtătorilor minoritari. După modalitatea de realizare şi cuplare a joncţiunilor se formează fie o structură npn fie una pnp. a I E - n n p n E B C V EB N A,ND N DE + I B - NAB V CB + I C b x Fig.1 Structura fizică şi profilurile de dopare la un tranzistor npn 63
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Se consideră o structură npn (fig.1) la care se disting trei regiuni: emitorul E, baza B şi colectorul C. Indiferent de natura purtătorilor mobili de sarcină (electroni sau goluri) emitorul este "sursa" de purtători iar colectorul "colectează" aceşti purtători. În regim normal de funcţionare joncţiunea emitor-bază este polarizată direct iar joncţiunea colector-bază este polarizată invers. Modelul benzilor de energie pentru această situaţie este arătat în fig.2.b.; modelul benzilor TB la echilibru termodinamic este reprezentat în fig.2.a. În esenţă "efectul tranzistor" constă în comanda curentului invers de colector de către curentul direct al joncţiunii emitor-bază; această comandă este eficientă numai când lărgimea bazei este foarte mică în comparaţie cu lungimea de difuzie a purtătorilor minoritari prin bază. Tranzistorul bipolar poate fi montat în circuit în trei conexiuni fundamentale: bază comună (BC), emitor comun (EC) şi colector comun (CC); denumirea conexiunii este dată de terminalul comun circuitului de intrare şi celui de ieşire. Pentru a discuta funcţionarea TB convenţional pe baza structurii npn din fig.1.a în conexiune BC se observă modul de distribuţie a concentraţiilor de impurităţi în cele trei regiuni : N DE în emitor, N AB în bază şi N DC în colector. La tranzistoarele actuale cu bune performanţe concentraţiile impurităţilor se află în raportul N DE >>N AB >N DC (fig.1.b); în acelaşi raport se află şi concentraţiile purtătorilor majoritari: n 0E >>p 0B >n 0C ; concentraţiile purtătorilor minoritari se află într-un raport invers: p 0E <<n 0B <p 0C. Ca urmare a profilului de dopare cu impurităţi specificat mai sus, aceste tranzistoare sunt marcate: n ++ p + n pentru o structură npn şi p ++ n + p pentru o structură pnp. Pe scurt, procesele de conducţie din TB decurg după cum urmează. Joncţiunea emitor-bază este polarizată direct şi o cantitate mare de electroni este injectată din emitor în bază. Aceşti electroni se deplasează spre colector prin procese de difuzie (la tranzistoarele"drift" cu concentraţie neuniformă a impurităţilor în bază intervin şi procese de drift) şi marea majoritate, peste 99%, 64
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici statice, circuite de polarizare ajung la joncţiunea colector-bază; o mică cantitate de electroni se recombină cu golurile existente în bază. Electronii care ajung la Fig. 2 Modelul benzilor energetice la tranzistorul bipolar npn colector participă la trecerea curentului invers prin joncţiunea colector-bază. Curentul total de emitor are două componente I E = I ne + I pe, unde componenta electronică I ne este dată de electronii injectaţi în bază, iar componenta de goluri I pe este dată de golurile care se deplasează din bază în emitor ; având în vedere raportul concentraţiilor de dopare avem I ne >> I pe. Curentul total de colector are, de asemenea, două componente I C = I nc + I pc ; componenta I nc este dată în principal de elec- 65
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE tronii proveniţi din emitor şi care au traversat baza; componenta I pc este dată de golurile care trec din colector în bază. Aşa cum rezultă din procesele descrise mai sus, cantitatea de electroni ce traversează joncţiunea colector-bază este mult mai mare decât cantitatea de goluri care trece din colector în bază, prin urmare are loc inegalitatea I nc >> I pc. Curentul de bază I B are mai multe componente: electronii care se recombină în bază, golurile care se deplasează înspre emitor, curentul rezidual de colector I C0, obţinut în condiţa I E = 0. 2 Expresiile curenţilor din TB. Expresiile curenţilor prin TB sunt date de ecuaţiile generalizate Shockley: I I E C = a = a 11 21 (e (e V V EB T V V EB T -1) + a -1) + a unde coeficienţii a ij sunt definiţi de relaţiile: 12 22 (e (e V V CB T V V CB T -1) -1) (1) (2) DBn0B w DE p0e a11 = AE q [ cth + ] (3) LB LB LE DB p0b a12 = - AE q (4) w LBsh LB DB p0b a21 = AC q (5) w LBsh LB DBn0B w DC p0c a22 = ACq [ cth - ] (6) LB LB LC 66
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici statice, circuite de polarizare Mărimile utilizate în aceste relaţii au următoarele semnificaţii: V EB şi V CB sunt tensiunile aplicate pe joncţiunea emitor-bază, respectiv colector-bază; V T =K B T/q este potenţialul termic (la temperatura camerei T 300K, V T 0,025 V; A E, A C sunt ariile joncţiunilor; D E, D B, D C sunt constantele de difuzie pentru purtătorii minoritari în emitor, respectiv bază şi colector ; L E, L B, L C,sunt lungimile de difuzie ale purtătorilor minoritari în regiunile specificate de indici; p 0E, n 0B, p 0C sunt concentraţiile purtătorilor minoritari în emitor, respectiv bază şi colector; w este lărgimea efectivă a bazei. Curentul din bază rezultă din relaţia: IE = IC + IB (7) 3. Caracteristici statice în conexiunea BC Fiind un dispozitiv cu trei terminale, la TB există trei tensiuni şi trei curenţi, unde ca urmare a legilor lui Kirchhoff, numai două tensiuni şi doi curenţi sunt independenţi; a treia mărime (tensiune sau curent) este univoc determinată de primele două. Din cele patru mărimi rămase, două se consideră variabile independente iar celelalte două sunt considerate funcţii; rezultă astfel patru familii de caracteristici statice. În conexiunea BC aceste caracteristici sunt definite prin relaţiile (în ordinea importanţei): V I C EB = f 1(VCB) I = f 3(IE) V E CB ct., IC = f 2(IE) VCB ct ct, VEB = f 4(VCB) IE ct (8) În practica curentă se utilizează primele trei familii; a patra familie se utilizează pentru tranzistoarele speciale de înaltă frecvenţă. 67
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE a. Caracteristici de ieşire, I C = f(v CB ), cu I E parametru este reprezentată în fig.3.a. Pe această familie se disting trei regiuni de funcţionare a tranzistorului: -(I) Regiunea activă în care joncţiunea emitor-bază este polarizată direct iar joncţiunea colector-bază este polarizată invers; este regiunea de funcţionare normală a TB ca amplificator şi oscilator. Întrucât I C este un curent invers, el prezintă o slabă dependenţă de tensiunea V CB ; creşterea uşoară a curentului I C în funcţie de V CB este datorată micşorării lărgimii efective a bazei w (prin efect Early) când V CB creşte. Fig.3. Caracteristici statice ale tranzistorului bipolar în montaj bază comună:a.-caracteristici de ieşire,b.-caracteristici de transfer, c.-caracteristici de intrare d.-caracteristici de reacţie inversă 68
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici statice, circuite de polarizare -(II) Regiunea de saturaţie, caracterizată prin polarizarea directă a ambelor joncţiuni; este situată în cadranul al doilea unde V CB devine negativ. -(III) Regiunea de blocare, caracterizată prin faptul că ambele joncţiuni sunt polarizate invers. Regiunile (II) şi (III) sunt utilizate în procesele de comutare ale TB. Drept expresie analitică aproximativă pentru descrierea acestei familii de caracteristici poate servi relaţia (2) în care se neglijează exp(v CB /V T ) în raport cu unitatea; neglijarea este posibilă întrucât V CB este o tensiune de polarizare inversă şi V CB >>V T. b. Caracteristici de transfer, I C = f(i E ), cu V CB parametru sunt reprezentate în fig.3.b şi arată că între I C şi I E există o dependenţă liniară. Această dependenţă poate fi descrisă analitic printr-o relaţie simplificată. Cel mai important parametru care se utilizează pentru caracterizarea globală a TB în conexiunea BC este câştigul (factorul) de curent h 21b = 0, definit prin relaţia: = I α0 I C E di = di C E V CB = ct. (9) ţinând cont de această relaţie şi de curentul rezidual I C0, se poate scrie: IC = α0 IE + IC0 (10) Influenţa slabă a tensiunii V CB asupra familiei caracteristicilor de transfer se explică tot prin efect Early; micşorarea lărgimii efective a bazei duce la creşterea câştigului de curent. 69
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE c. Caracteristici de intrare, reprezentate sub forma I E = f(v EB ) cu V CB parametru, sunt date în fig.3.c. Forma unei caracteristici este asemănătoare cu cea a unei diode polarizate direct. Acest fapt decurge şi din relaţia (2) în care se neglijează exp (V CB /V T ) în raport cu unitatea. Se constată o anumită influenţă a tensiunii V CB, care poate fi explicată prin creşterea gradientului de concentraţie a purtătorilor minoritari în bază odată cu creşterea tensiunii V CB. 4. Caracteristici statice în conexiune EC a. Caracteristici de ieşire, I C =f(v CE ), cu I B parametru prezentate în fig.4.a. Se disting trei regiuni de funcţionare: -(I) Regiunea activă în care joncţiunea bază-emitor este polarizată direct iar joncţiunea colector-bază este polarizată invers. Trebuie observat că în această regiune atât pe bază cât şi pe colector sunt aplicate tensiuni pozitive în raport cu emitorul şi V CE >V BE. Panta caracteristicilor este mai mare decât la conexiunea BC; această particularitate se explică prin faptul că în cazul conexiunii EC efectul Early influenţează curentul I C prin intermediul factorului 0 = 0 /(1-0 ) (în conexiunea BC efectul Early influenţează curentul I C prin intermediul factorului 0 ). În acest sens este utilă stabilirea unei dependenţe convenabile între I C şi I B. Dacă în (10) se înlocuieşte I E cu valoarea scoasă din (7) se obţine: IC = β IB + ICE0 (11) 0 unde α0 = IC0 β0 =, ICE0 (12) 1- α0 1- α0 mărimea 0 reprezintă câştigul de curent în conexiune EC. 70
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici statice, circuite de polarizare Fig. 4 Caracteristici statice ale tranzistorului în montaj emitor comun.a.- caracteristici de ieşire, b.-caracteristici de transfer, c.- caracteristici de intrare, d-caracteristici de reacţie inversă. -(II) Regiunea de saturaţie în care ambele joncţiuni sunt polarizate direct; această regiune este situată în primul cadran, între ordonată şi dreapta V CE =V BE ; pentru V CE <V BE, ambele tensiuni fiind pozitive, cele două joncţiuni sunt polarizate direct. -(III) Regiunea de blocare în care ambele joncţiuni sunt polarizate invers; aşa cum rezultă din (12) curentul I CE0, care se obţine pentru I B =0, este mult mai mare decât I C0. b. Caracteristici de transfer, I C = f(i B ), cu V CE parametru prezentate în fig.4.b. Forma lor diferă mult de caracteristicile similare din conexiunea BC; atât timp cât V CE >V BE 71
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE (regiunea activă), caracteristicile reprezintă drepte descrise de relaţia (11), având panta egală cu 0 ; pentru tensiuni V CE <V BE coeficientul 0 scade rapid la zero, putând lua valori negative întrucât I C îşi poate schimba sensul. c. Caracteristici de intrare, I B =f(v BE ) cu V CE parametru, ca în fig.4.c. Sunt de semnalat câteva particularităţi: numai caracteristicile corespunzătoare valorii V CE = 0 trec prin origine; pentru restul caracteristicilor avem I B (V BE =0) = - I C0 ; influenţa tensiunii V CE este mai puternică în domeniul de valori V CE <V BE şi devine neglijabilă pentru V CE >V BE. 5. Parametrii h. Scheme echivalente de cuadripol Pentru calculul circuitelor de amplificare, oscilaţie, comutare, filtrare ş.a. realizate cu TB, se utilizează schemele de cuadripol. În funcţie de tipul circuitului electronic şi de regimul de funcţionare al TB schemele echivalente pot fi liniare (de semnal mic) sau neliniare. În continuare se prezintă scheme echivalente (modele) de semnal mic cu parametrii h. Indiferent de conexiune TB poate fi privit ca un cuadripol (reţea electrică) la care se disting patru borne accesibile, două la intrare şi două la ieşire. Cele trei tipuri de conexiuni fundamentale ale TB sunt indicate în fig.5. Fig. 5 Modurile fundamentale de conectare în circuit a tranzistorului bipolar :a.- Bază comună (BC), b.- Emitor comun (EC), c.- Colector comun (CC) 72
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici statice, circuite de polarizare Sub formă generală, mărimile de intrare şi de ieşire au o componentă continuă şi una variabilă (de semnal) vi = VIQ + Δ vi, vii = VIIQ + Δ vii (13) ii = I IQ + ΔiI, iii = IIIQ + ΔiII unde V IQ, I IQ, V IIQ, I IIQ reprezintă valorile continue ce definesc punctele statice de funcţionare; v I, i I, v II, i II sunt variaţii ale mărimilor respective în jurul valorilor continue. Condiţia de semnal mic presupune: v I << V IQ, i I << I IQ, v II << V IIQ, i II << I IIQ. Parametrii h se obţin dacă mărimile i I şi v II sunt considerate variabile independente, iar v I şi i II funcţii; se poate scrie: vi = f 1(iI, vii) (14) iii = f 2(iI, vii) Dacă i I şi v II prezintă variaţii în jurul valorilor I IQ şi V IIQ, atunci şi v I, i II vor prezenta variaţii în jurul valorilor V IQ şi I IIQ. Pentru a stabili legătura între variaţiile tensiunilor şi curenţilor se efectuează o dezvoltare în serie Taylor a expresiilor (14), în care se neglijează apoi termenii de ordin superior; rezultă: unde mărimile: vi v i II = i II I Q Q + h + h 11 21 ΔiI h Δi I + h 12 22 Δ v Δ v II II (15) vi = VIQ, iii = IIIQ (16) Q Q h h 11 21 vi = i1 = iii ii Q Q,, h h 12 22 vi = vii = iii vii Q Q (17) 73
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE reprezintă parametrii h ai TB. Presupunând că variaţiile i I, v I. v II, i II reprezintă componente de semnal, ele pot fi notate prin valorile instantanee alternative ΔiI = i1, ΔiII = i2 (18) Δ vi = v1, Δ vii = v2 Ţinând cont de (13), din (15) se scoate: v1 = h11i1 + h i2 = h21i1 + h 12 22 v v 2 2 (19) parametrii h au un caracter diferenţial. Relaţiile (19) pot fi particularizate pentru cele trei tipuri de conexiuni: -conexiunea EC, h b : veb = h11bie + h12bvcb (20) ic = h21bie + h22bvcb -conexiunea EC, h e : vbe = h ic = h -conexiunea CC, h c : vbc = h ie = h 11e 21e 11c 21c ib + h ib + h ib + h ib + h 12e 22e 12c 22c v v v v ec ce ce ec (21) (22) Schemele echivalente corespunzătoare sunt reprezentate în fig.6. Sursele de tensiune şi de curent din aceste scheme sunt controlate (dependente) astfel încât valorile lor depind de curenţii şi tensiunile la terminalele tranzistorului. Trebuie observat că schemele echivalente prezentate se referă numai la componentele alternative de semnal ; parametrii h 11 şi h 21 se determină în 74
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici statice, circuite de polarizare condiţii de scurtcircuit la ieşire iar h 21 şi h 22 în condiţii de gol la intrare.la TB se pot defini, de asemenea, parametrii y şi z care se utilizează mai rar. i e h 11b i c v eb h 22b v h 12b v cb h i 21b e b h 11e c v be h 12e v ce h 21e i h 22e v ce i b 11c ie v bc h 12c v ec h 21c i h 22c v ec Fig.6 Scheme echivalente cu parametri h pentru TB 6. Studiul experimental al TB. Trasarea caracteristicilor statice la TB Trasarea caracteristicilor statice poate fi realizată pe caracteriscop, pe înregistrator grafic X-Y şi prin metoda punct cu punct. Cea mai performantă modalitate este prima deoarece permite o analiză rapidă pentru diferite polarizări, o comparaţie directă a mai multor dispozitive de acelaşi tip şi asigură identificarea regimurilor maxime de funcţionare fără distrugerea componentelor. În continuare se prezintă metoda trasării punct cu punct. 75
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Pentru comanda circuitului de intrare al TB este necesară o sursă de curent constant. Aceasta se realizează cu un circuit electronic activ sub forma unui modul SC, fixat pe planşeta de lucru care este alimentat de la o sursă stabilizată de tensiune S1 şi prezintă o rezistenţă internă ridicată. După montarea pe planşetă a modulului de curent constant sursa de tensiune care îl alimentează este reglată la 30V după care nu se mai acţionează asupra ei, curentul constant fiind modificat din potenţiometrul modulului SC şi măsurat cu instrumentul M1. Atenţie la polarităţile sursei de alimentare şi a modulului de curent constant. I. Conexiunea BC Va fi utilizat montajul din fig.7 (pentru tranzistor npn). ma ma E M1 M2 - - + S1 SC S2 + + VE B VE - 30V M3 M4 0-20V C Fig.7 Montaj pentru trasarea caracteristicilor statice în conexiune BC la un tranzistor npn Sursa de curent SC pentru montaj BC asigură o modificare continuă a curentului de emitor în limitele 1 10 ma. Urmărind înregistrarea dependenţelor (8) se ridică valori pentru cel puţin 5 caracteristici din fiecare familie, iar apoi se reprezintă grafic. Din caracteristicile statice obţinute se determină parametrii h b în acord cu definiţiile din 1.3. 76
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici statice, circuite de polarizare h h 11b 21b Δ VEB Δ VEB = VCE = ct., h12b= IE = ct. Δ IE Δ VCB (23) Δ IC Δ = = ct., = IC Vcb h22b IE = ct. Δ IE Δ VCB II. Conexiunea EC Se realizează montajul din fig.8 (tranzistor npn). ma M1 C M2 + + + S1 SC S2 B - - VE VE - 30V E M3 M4 0-20V Fig.8 Montaj pentru trasarea caracteristicilor statice în conexiune EC la un tranzistor npn Sursa de curent SC pentru monaj EC furnizează un curent constant reglabil între 10 100 A. Se ridică valori pentru trasarea următoarelor familii de caracteristici: -caracteristicile de ieşire I C = f 1 (V CE ), I B parametru; -caracteristicile de intrare I B = f 2 (V BE ), V CE parametru; -caracteristicile de transfer I C =f 3 (I B ), V CE parametru; -caracteristicile de reacţie V BE =f 4 (V CE ), I B parametru.. 77
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Se vor reprezenta minimum cinci caracteristici din fiecare familie. Vor fi calculaţi parametrii h e conform relaţiilor: Δ VBE Δ VBE h11e= VCB = ct., h12e= IB = ct. Δ IB Δ VCE (24) Δ IC Δ = = ct., = IC h21e VCE h22e IB = ct. Δ IB Δ VCE În cadrul lucrării practice sunt analizate tranzistoarele de mică putere cu siliciu din seria BC 413-414 1. Tranzistoarele planar-epitaxiale prezintă o dependenţă de curent a amplificării. La curenţi mici de 0,1 1 ma amplificarea este mai redusă şi creşte de 2...3 ori la creşterea curentului, atingând un maxim la 10 20 ma. Tranzistoarele sunt marcate cu indici suplimentari în funcţie de amplificarea în curent astfel: 2. Familia BC413-BC414 în capsulă din plastic TO-92 se produce pe plan mondial din 1965 de către Philips, Siemens, AEG-Telefunken, SESCOSEM, Texas Instruments, Motorola Fairchild, SGS Thomson, IPRS Băneasa. 3. Puterea disipată la 45 C este pentru toate tipurile de cel puţin 300 mw. Nu se recomandă ca la funcţionarea de lungă 78
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici statice, circuite de polarizare durată puterea să depăşească 150 mw, astfel încât joncţiunea să aibă o temperatură sub 125 C, asigurându-se fiabilitatea. În continuare sunt prezentate caracteristicile tranzistoarelor din seria BC413-BC414. Valori maxime absolute Mărimea simbol min tip max UM Observaţii Tensiunea colector-baza U CB0 45 50 V Tensiunea colector-emitor U CE0 30 45 V Tensiunea emitor-baza U EB0 5 V Curent de vârf la colector I CM 100 ma Curent de bază I BM 20 ma Puterea totală disipată P tot 300 mw T amb;< 25 0 C Temperatura jonc;iunii t j 150 0 C Temperatura de stocare t stg -55 +150 0 C Rezistenţa termică R thja 420 K/W 90 250 I 10mA, Caracteristici de curent continuu Mărimea simbol min tip max UM Observaţii Curent rezidual de colector I CB0 15 na T amb=25 0 C La U CB=30V 5 T amb=125 0 C Curent rezidual de emitor I EB0 15 na Tensiune de străpungere U (BR)CB0 45 V BC413 colector bază (I C= 10 50 BC414 Tensiune de străpungere U (BR)C0 30 V BC413 colector emitor (I C= 10mA) 45 BC414 Tensiune de străpungere emitor U (BR)EBO 5 V baza (I E= 10 Tensiune de saturaţie colector mv emitor U CEsat C= I B= 0,5mA 200 600 mv I C= 100mA, I B= 5mA Tensiunea de satura;ie bază emitor U BEsat 700 mv I C= 10mA, I B= 0,5mA Tensiunea baza emitor U CE 620 mv U CE=5V I C= 2mA Amplificarea în curent h FE B: C: 180 290 460 380 500 800 U CE=5V I C= 2mA 79
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Caracteristici dinamice (la t =25 0 C) Mărimea simbol min tip max UM Observaţii Produsul bandă x amplificare La f = 100MHz f T 250 MHz U CE=5V I C=10mA Capacitatea bază colector C CB0 2,5 pf Factorul de zgomot f= 30Hz- 15KHz F 3 db U CE= 5V I c= 200 Parametrii h în montaj EC Parametrul grupa min tip max UM h ie B 3,2 4,5 8,5 K C 6 8,7 15 h re B C 2x10-4 3x10-4 h fe B C 330 600 h oe B 30 60 S C 60 110 Fig.9 Caracteristicile statice de ieşire la tranzistorul BC413 în montaj EC 80
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici statice, circuite de polarizare Fig.10 a.-tensiunea de saturaţie colector-emitor în funcţie de curentul de colector (h fe = 20, t amb = 25 0 C) b.- tensiunea bazăemitor în funcţie de curentul de colector (U CE = 5V, t amb = 25 0 C) 7.Tranzistorul bipolar ca element de circuit ( Studiu suplimentar) Pentru a putea realiza cu ajutorul TB diferite funcţii trebuie ca acesta să fie polarizat într-un anumit mod specific. Alegerea punctui static caracterizat printr-un curent de bază I BQ, o tensiune de colector V CQ şi un curent de colector I CQ, se face pe baza unor criterii impuse de funcţia dorită. Punctul de funcţionare trebuie plasat într-o regiune bine definită, delimitată pe familia caracteristicilor de ieşire de: puterea 81
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Fig.11 Parametrii h in montaj EC pentru tranzistorul BC413 disipată maximă, tensiunea maximă admisă şi curentul maxim admis. 82
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici statice, circuite de polarizare Condiţia ca puterea disipată de tranzistor să nu crească peste limita admisă dictează o graniţă sub formă de hiperbolă în planul caracteristicilor de ieşire: ic v = PDmax (25) C Limitarea tensiunii colector-emitor la o valoare V Cmax, este impusă de multiplicarea în avalanşă a purtătorilor în regiunile de trecere, fapt care conduce la străpungerea electrică a joncţiunii bază-colector. Curentul de colector trebuie să fie sub o valoare I Cmax pentru a preveni distrugerea tranzistorului sau scăderea pronunţată a factorului 0. La tensiuni mici domeniul de funcţionare este limitat de graniţa dintre regiunea activă şi cea de saturaţie,iar la curenţi mici de cea între regiunea activă şi regiunea de blocare. Fig.12 Domeniul de funcţionare admis pentru TB 83
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Schema unui amplificator de semnal mic cu TB npn în montaj EC este prezentată în fig.13 I C I CQ Q Fig.13 Schema unui amplificator de semnal mic cu tranzistor bipolar TB fiind un dispozitiv cu comandă în curent în circuitul de intrare se conectează în serie cu tensiunea de polarizare V BB şi cu sursa de semnal un rezistor R b de valoare ridicată. Mărimile care intervin în analiză sunt v B, i B, v C, i C, iniţial necunoscute şi care au expresiile: vb = VBQ + vb ib = IBQ + ib (26) ic = ICQ + ic vc = VCQ + vc 84
LUCRAREA NR.6 Tranzistorul bipolar, caracteristici statice, circuite de polarizare Se presupun cunoscute v b (v b v s ). Pentru circuitul de colector se poate scrie legea a II-a a lui Kirchhoff (în regim lent variabil) vc = VCC + icrc (27) Această relaţie reprezintă ecuaţia dreptei de sarcină pentru circuitul de ieşire trasată în familia caracteristicilor de colector (fig.13b). Dreapta intersectează axele de coordonate în punctele (0,V CC ), (V CC /R C,0) şi are panta -1/R C. Punctul static este determinat de I BQ, I CQ şi V CQ. Pentru circuitul de bază se poate scrie: vb = VBB-iBRB (28) relaţie care reprezintă ecuaţia dreptei de sarcină pentru circuitul de intrare (fig.13c). Ea intersectează axele de coordonate în punctele (0,V BB ), (V BB /R b ). R b are valori mari, panta dreptei are valori mici şi se poate aproxima ca fiind paralelă cu axa V B. Se admite astfel că i B este slab influenţat de tipul tranzistorului şi regimul său de funcţionare. În montajele practice se utilizează o singură sursă de tensiune pentru polarizarea tranzistorului, iar circuitul se realizează astfel încât să asigure stabilizarea punctului de funcţionare. Variaţia temperaturii influenţează regimul de curent continuu al tranzistorului. Dacă temperatura creşte, punctul de funcţionare se deplasează spre curenţi mari în regiunea de saturaţie, iar la scăderea temperaturii spre regiunea de blocare. Punctul static de funcţionare trebuie menţinut constant la modificarea temperaturii. Circuitul simplu din fig.13a nu poate asigura protecţia la fenomenul de ambalare termică. Dacă temperatura creşte, curentul de colector creşte datorită creşterii valorii lui 0 cu temperatura. Un astfel de circuit poate fi utilizat doar la puteri disipate reduse şi la temperaturi ambiante apropiate 85
FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE de 20 C. În fig.14 se prezintă o variantă de polarizare cu o singură sursă de tensiune care asigură totodată şi stabilizarea termică a punctului de funcţionare. Fig.14 Schema unui amplificator de semnal mic cu TB Tensiunea continuă V BQ şi curentul I BQ se fixează prin alegerea elementelor divizorului rezistiv R 1 şi R 2 şi a valorii rezistorului din emitor R E. Condensatorul C E constituie drumul de închidere la masă a componentei alternative de semnal. Tensiunea v BE în absenţa semnalului, va fi dată de diferenţa dintre tensiunea în punctul B asigurată prin divizorul R 1, R 2 şi căderea de tensiune pe rezistorul R E. O creştere a curentului de colector provocată de ridicarea temperaturii produce o cădere mai mare de tensiune la bornele rezistorului R E, ducând la micşorarea tensiunii v BE şi deci a curentului i B ; curentul de colector este menţinut astfel la o valoare constantă. Punctul static de funcţionare este stabilizat. 86