1
1.1. Procese fizice în tranzistorul bipolar cu joncţiuni polarizat în regiunea actiă normală Se a considera cazul unui tranzistor npn. Funcţionarea tranzistorului pnp este principial aceeaşi dacă se înlocuiesc fluxurile de electroni cu cele de goluri şi iners, precum şi dacă se schimbă semnele tensiunilor aplicate şi sensurile curenţilor prin terminale. Descrierea fenomenelor se face in legătură şi cu figura 3-17. S-a notat cu W B (base width) lăţimea efectiă a bazei, cuprinsă între extremităţile regiunilor de tranziţie ale celor două joncţiuni. flux de goluri flux de electroni Joncţiunea bază-emitor (BE) fiind polarizată direct, electronii majoritari din n p n emitor or fi injectaţi în bază; la fel, golurile din bază or fi injectate înspre emitor. Deoarece emitorul este mult mai puternic dopat decât baza, ponderea cea mai mare în I E I C curentul total prin joncţiunea emitoare o are fluxul de electroni injectaţi din emitor spre bază. E C Electronii ajunşi în regiunea bazei dein purtători minoritari. Ei sunt transportaţi prin difuzie. Recombinarea în regiunea bazei este foarte redusă datorită dimensiunilor geometrice foarte mici ale acesteia. Astfel, practic toţi electronii B injectaţi de emitor în bază ajung la marginea regiunii de tranziţie a joncţiunii colectoare. În această regiune există un câmp electric orientat de la colector spre bază, datorat polarizării inerse a acestei joncţiuni. Acest câmp a faoriza trecerea 0 w B x BE CB electronilor din regiunea bazei în regiunea colectorului. I B Se obseră că prin joncţiunea colectoare, deşi polarizată iners, a trece un curent important. Există şi un curent foarte mic format din goluri extrase din colector şi electroni extraşi din bază (curentul iners al joncţiunii colectoare), numit şi curent Fig. 3-17 Procese fizice în TBJ polarizat în RAN rezidual I CB0 (curentul între colector şi bază cu emitorul în gol). În mod obişnuit acest curent se neglijează. Curentul prin joncţiunea colectoare nu depinde practic de tensiunea inersă aplicată acestei joncţiuni. În schimb, aloarea acestui curent a fi puternic influenţată de tensiunea directă aplicată joncţiunii bază-emitor. Acest efect de control al curentului printr-o joncţiune polarizată iners de către tensiunea aplicată altei joncţiuni, polarizate direct, se numeşte efect de tranzistor. 1.1.1. Expresiile curenţilor pentru tranzistorul bipolar cu joncţiuni polarizat în regiunea actiă normală O înţelegere mai bună a proceselor ce determină funcţionarea tranzistorului se poate obţine pe baza distribuţiei purtătorilor minoritari. Existând două regiuni de tip n, pentru a face distincţie între ele, se a adăuga indicele E sau C. Se utilizează expresiile concentraţiilor de purtători minoritari la marginile regiunii de tranziţie a unei joncţiuni p-n polarizate.
p ne (x) p ne (0) p ne0 n p0 n, p n p (0 n p (x ) 0 n p (w B ) w B p nc0 p nc (w B ) p nc (x) Fig. 3-18 Distribuţia purtătorilor minoritari la un TBJ polarizat în RAN x Astfel, în legătură şi cu notaţiile din figura 3-18 şi neglijând dimensiunile regiunilor de tranziţie se poate scrie: BE pne ( 0) pne e T 0 ; ( > pne0) BE np( 0) np e T 0 ; ( > np0) BC np WB np0 e T 0; ( BC < 0) ( ) BC pnc( WB ) pnc e T 0 0 (3.47) (3.48) (3.49) (3.50) Se poate demonstra că distribuţia de purtători minoritari în bază este practic liniară. Distribuţia de minoritari în bază a aea deci expresia: BE x x np( x) np( 0) 1 np e T 0 1 (3.51) wb wb Aşa cum s-a arătat, în general, curentul de câmp al purtătorilor minoritari poate fi neglijat. Curentul de electroni în bază a aea deci numai componentă de difuzie. Densitatea de curent de difuzie este: ( ) J q D d x BE np q Dn np nd n 0 (3.52) e T dx wb Neglijând recombinarea în bază, rezultă că acest curent se menţine constant. De fapt, deoarece purtătorii minoritari transportaţi prin difuzie până la joncţiunea colectoare or fi preluaţi de câmpul electric şi trecuţi în regiunea colectorului, rezultă că acesta este chiar curentul de colector, adică: J C -J nd (3.53) Semnul minus proine de la faptul că referinţa pentru curentul de colector este în sens iners axei ox. Deci, densitatea de curent de colector este: BE BE q Dn np J C 0 e T JS e T (3.54) w B unde s-a notat cu J S densitatea de curent de saturaţie a tranzistorului q Dn np JS 0 (3.55) wb Multiplicând cu aria secţiunii transersale a joncţiunii emitoare, rezultă ecuaţia care caracterizează efectul de tranzistor (I C f( BE )).
IC A JC I I e T C S (3.56) IS A JS unde I S este numit curent de saturaţie şi este o constantă pentru o anumită temperatură. Denumirea de saturaţie, în acest caz, nu are legătură cu regiunea de de funcţionare la saturaţie a tranzistorului. alori tipice pentru I S sunt în interalul 10-16 10-14 A. Practic, intensitatea curentului de colector este determinată de panta distribuţiei de purtători minoritari de bază. Se mai obseră că sarcina de purtători minoritari acumulată în bază este proporţională cu aria haşurată în figura 3-18, aceasta sarcină fiind strict necesară întreţinerii curentului în colector. Curentul de bază are, în principal, două componente: -I B1 - datorată fenomenului de recombinare în bază; -I B2 - datorată injecţiei de goluri din bază înspre emitor Prima componentă este proporţională cu sarcina de bază: Q I b B1 τ (3.57) b unde τ b este timpul de tranzit al purtătorilor prin bază. ( ) q n ol q n p 0 A w BE pmed B q np0 A wb IB e T 1. 2 (3.58) τb τb 2τb A doua componentă trebuie să întreţină excesul de goluri la limita regiunii de tranziţie a joncţiunii emitoare. IB2 A JpEd( 0) (3.59) Semnul minus se datorează referinţei pentru curentul I B care corespunde cu deplasarea golurilor în sens iners axei x. Fiind un curent de difuzie, el a depinde de gradientul concentraţiei de goluri în emitor. Distribuţia de goluri în exces este dată de (3.17), cu obseraţia că injecţia are loc în sens iners axei x. x p ' L ne ( x) p e p (3.60) Be p pne( 0 ) pne pne e T 0 0 1 (3.61) Neglijând 1 în raport cu exponenţiala (ştiind că BE >0, deoarece în RAN joncţiunea emitoare este polarizată direct), rezultă: J q D dp ne x q Dp pne PEd p 0 e T e dx Lp Înlocuind (3.62) în (3.59) şi folosind şi (3.58) rezultă curentul total de bază: ' ( ) BE BE x Lp (3.62)
I B q np A wb q Dp pne A 0 + 0 e 2τb L p Comparând cu (3.56) se obseră că, atât curentul de colector, cât şi cel de bază depind de e T. Raportul lor a fi deci o constantă care se notează cu β F şi se numeşte factor de amplificare în curent în sens direct (F forward direct), adică definit pentru polarizare în RAN (pentru RAI se a defini β R ; R reerse iners). q Dn np0 A w β B 1 F q np A wb q Dp pne A w D B p + (3.64) 0 0 2 pne w + 0 B 2 τ L 2 τ D D n L Pe baza relaţiei: Rezultă: b 2 ne0 ne0 i 2 p n n np0 pp0 ni dar n N p N ne0 D E ; p0 A β F w 2 τ 2 B b p D n b p n n A D E n ne0 p0 1 Dp N w + D N L Deci: IC β F IB (3.67) β F este cu atât mai mare cu cât lăţimea bazei, w B, este mai mică şi cu cât emitorul este mai dopat decât baza (N DE >N A ). O aloare tipică este β F 100. Relaţiile (3.56) şi (3.67) descriu funcţionarea tranzistorului în RAN. Parametrii care caracterizează această funcţionare sunt I S şi β. Relaţiile au fost deduse în regim staţionar, dar ele sunt alabile şi în mărimi totale, în regim casistaţionar, dacă frecenţa componentelor ariabile ale semnalelor nu este prea mare. BE ic IS e T (3.68) ic βf ib BE T n N n i N B p A BE n 2 i D E 2 p0 p (3.63) (3.65) (3.66)
1.2. Distribuţia purtătorilor de sarcină minoritari pentru diferite regiuni de fucţionare ale unui tranzistor bipolar Se or utiliza relaţiile (3.47) şi (3.50), adaptate pentru polarităţile tensiunilor aplicate. Pentru fixarea ideilor se a considera un tranzistor npn ( BE, BC > 0, înseamnă polarizare directă, iar BE, BC < 0, înseamnă polarizare inersă). 1.2.1. Regiunea actiă normală a) Regiunea actiă normală propriu-zisă În acest caz, BE > 0; BC < 0. Distribuţia a fost descrisă în figura 3-18. Curentul de colector este determinat de panta concentraţiei n p (x). Sarcina acumulată în bază este proporţională cu aria triunghiului o; w B ; n p (0) şi are aloarea minimă posibilă pentru susţinerea unui anumit curent de colector. b) Limita între regiunea actiă normală şi cea de saturaţie p ne(x) p ne0 n p0 n, p n p (0) n p (x) 0 n p (w B ) w B p nc(x) p nc0 Fig. 3-21 Distribuţia de minoritari pentru BE > 0 şi BC 0 1.2.2. Regiunea de blocare În acest caz, BE < 0 şi BC < 0. Distribuţia de purtători minoritari este prezentată în figura 3-23. x În acest caz, BE > 0; BC 0. Distribuţia de purtători minoritari este prezentată în figura 3-21. Se obseră că n p (w B ) n p0 0. Dar cum aloarea concentraţiei de electroni în regiunea bazei la echilibru, n p0 este foarte mică, acest regim de funcţionare nu diferă esenţial de cel precedent. Se manifestă încă efectul de tranzistor (relaţiile (3.68) sunt încă alabile). c) Limita între regiunea actiă normală şi cea de blocare În acest caz, BE 0; BC < 0. Distribuţia este prezentată în figura 3-22. aloarea concentraţiei la echilibru, n p0, fiind foarte mică, panta concentraţiei n p (x) este mică şi deci a rezulta un curent de colector foarte mic. La BE 0, practic, tranzistorul este aproape blocat. În această situaţie, în bază nu există sarcină acumulată, iar gradientul concentraţiei fiind zero, curentul de colector este zero (practic există nişte alori mici datorate curenţilor reziduali). Ieşirea din regiunea de blocare necesită un anumit n, p timp pentru realizarea distribuţiei corespunzătoare regiunii actie normale (modificarea sarcinii din bază) şi pentru încărcarea capacităţilor joncţiunilor. De p ne0 aceea, curentul de colector a urmări cu o anumită întârziere ariaţia tensiunii p nc0 bază-emitor. p ne(x) n p (x) p nc(x) n p0 p ne(x) p ne0 n p0 n, p n p (x) 0 w B p nc0 Fig. 3-22 Distribuţia de minoritari pentru BE 0 şi BC < 0 p nc(x) x 0 w B Fig. 3-23 Distribuţia de minoritari pentru BE < 0 şi BC < 0 x
1.2.3. Regiunea de saturaţie În saturaţie, ambele joncţiuni sunt polarizate direct (pentru npn BE > 0 şi BC > 0). Ca urmare, tensiunea colector- emitor CE este mică, plasându-se uzual în gama 0,05 0,3. În figura 3-24 se indică distribuţia concentraţiilor de n, p purtători minoritari de sarcină pentru un tranzistor npn saturat. p ne(x) p ne0 n p0 n p (0) n p1 (x) n p (x) n p (w B ) p nc(x) p nc0 0 n p2 (x) w B x Fig. 3-24 D istribuţia de minoritari pentru BE > 0 şi BC > 0 ( BE > BC ) Concentraţia de minoritari în bază, la marginea joncţiunii colectoare, a fi: BC np( wb) npo e T (3.70) Deoarece BC este acum pozitiă, rezultă că n p (w B ) > 0. Deoarece BE este practic constantă, rezultă că ariaţiile tensiunii CE se regăsesc ca ariaţii ale CB ( CE - BC + BE ), deci tensiunea CE influenţează direct concentraţia n p (w B ). Deoarece curentul de colector, i C, este proporţional cu panta concentraţiei de minoritari din bază, rezultă că odată cu scăderea tensiunii CE spre saturaţie, scade şi curentul i C (deoarece creşte BC şi deci n p (w B )). Un model util pentru tranzistorul la saturaţie este prezentat în figura 3-25. Din distribuţia concentraţiilor se mai obseră că pentru o aloare dată a curentului de colector, la saturaţie, în bază există o cantitate mult mai mare de sarcină stocată, în comparaţie cu cazul regiunii actie normale (aria trapezului 0/n p (0)/n p (w B )/w B > aria triunghiului 0/n p (0)/w B ). Ca urmare, contribuţia la curentul de bază a componentei de recombinare (proporţională cu sarcina) a fi mai mare la saturaţie. În plus, joncţiunea colectoare fiind polarizată direct, a exista o nouă componentă a curentului de bază care corespunde injecţiei de goluri din bază în colector. Aceste două efecte conduc la o aloare a curentului de bază la saturaţie mai mare decât cea din RAN corespunătoare unei alori date a curentului de colector (β scade la saturaţie). Practic, pentru a aduce un tranzistor la saturaţie trebuie să-i injectăm în bază un curent mai mare decât cel necesar susţinerii aceluiaşi curent de colector la funcţionarea în RAN. După intrarea în saturaţie nu se mai manifestă efectul de tranzistor, deci ariaţiile curentului de bază nu mai produc ariaţii ale curentului de colector, curent ce a fi determinat de circuitul exterior. Ieşirea din saturaţie se a face cu o anumită întârziere faţă de momentul schimbării tensiunilor de polarizare, datorită timpului necesar pentru eacuarea sarcinii suplimentare stocate în bază. Acest timp este sensibil mai mare faţă de cel necesar ieşirii din blocare. Descrierea bazată pe figura 3-24 corespunde cu aşa numita saturaţie directă ( BE > BC >0). Există şi saturaţia inersată când BE < BC şi deci n p (0) < n p (w B ), adică panta concentraţiei n p (x) este inersă, ceea ce corespunde cu circulaţia unui flux de electroni dinspre colector spre emitor. E I E I CE 0 X I C C B Fig. 3-26 Regimul de curent zero Este posibil şi un caz limită cînd BE BC şi deci n p (0) n p (W B ) > 0. În acest caz, deşi există sarcină acumulată în bază, gradientul concentraţiei n p (x) este zero şi deci nu există circulaţie de curent între colector şi emitor. Acest regim de funcţionare se numeşte şi regim de curent zero. Tranzistorul se a comporta ca două joncţiuni p-n independente, ca în figura 3-26. B U D r sat CEsat E Fig. 3-25 Model pentru tranzistorul bipolar la saturaţie C U D 0,6 0,7 CEsat 0,1 0,3 r sat 2 50 Ω
1.3. Fenomene secundare în funcţionarea tranzistorului bipolar cu joncţiuni 1.3.1. Efectul Early (modularea grosimii bazei) În analiza funcţionării tranzistorului bipolar prezentată anterior, a fost presupusă iners polarizată joncţiunea B-C, fără nici un efect al tensiunii u BC asupra curentului de colector i C. În practică se constată o uşoară creştere a curentului de colector cu ceşterea tensiunii colector-emitor, u CE. Deoarece tensiunea u BE este practic constantă, ariaţia tensiunii u CE este practic egală cu ariaţia tensiunii u CB (u CE u CB + u BE ). Creşterea tensiunii u CB duce la extinderea regiunii de tranziţie a joncţiunii colectoare şi deci la micşorarea grosimii bazei. În figura 3-29 se prezintă distribuţia concentraţiei de purtători minoritari în bază. Aceasta este liniară, aând aloarea Regiunea de BE n p tranziţie np( 0) np e T 0 E B pentru U CE1 C n p0 n p (0) n p (x) w B Regiunea de tranziţie pentru U CE2 > U CE1 0 w B x Fig. 3-29 Explicarea efectului Early Pentru realizări obişnuite, A 8 0 120 la marginea joncţiunii emitoare şi n ( w ) p B 0 la marginea joncţiunii colectoare. Micşorarea grosimii bazei duce la creşterea pantei concentraţiei de minoritari şi deci la creşterea curentului în colector (care este practic curent de difuzie a minoritarilor în bază). Forma tipică a caracteristicilor de ieşire ale tranzistorului se prezintă în figura 3-30. Din cauza efectului Early, caracteristicile sunt uşor înclinate. Prin extrapolarea caracteristicilor înapoi către axa u CE, intersecţia cu această axă se produce la o tensiune - A, numită tensiune Early. Influenţa efectului Early asupra caracteristicilor de semnal mare ale tranzistorului în regiunea actiă normală (RAN) se poate reprezenta analitic prin modificarea relaţiei (3.56) astfel: ic I CE S 1 + e A BE T (3.91) i C BE4 BE3 BE2 BE1 - A 0 Fig. 3-30 Eidenţierea tensiunii Early CE
β 1.3.2. Dependenţa factorului de amplificare β de curentul de colector În teoria elementară a tranzistorului bipolar s-au neglijat o serie de fenomene care în practică, în anumite condiţii, îşi fac simţite efectele. Astfel, factorul de amplificare în curent, β, nu este constant, ci depinde de curentul I C ca în figura 3-31. I C Fig. 3-31 Dependenţa β f(i C ) 1.4. Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar cu joncţiuni Se a considara tranzistorul ca un cuadripol. Eident, un terminal a fi comun intrării şi ieşirii. De exemplu, în figura 3-32 se specifică mărimile de intrare şi de ieşire pentru conexiunile emitor comun (EC) şi bază comună (BC). i B u BE i C u CE IN EC IES IN BC IES asemenea pentru conexiunea emitor comun. i E u EB u CB Fig. 3-32 Mărimile de intrare şi de ieşire considerate în caracteristicile statice ale tranzistoarelor bipolare i C Aspectul caracteristicilor a fi eident diferit în funcţie de conexiunea tranzistorului. Există trei tipuri de caracteristici: - de intrare (i IN f( IN )) - de transfer (i IES f( IN ) sau i IES f(i IN )) - de ieşire (i IES f( IES )) În multe cazuri, mai ales pentru caracteristicile de ieşire, se reprezintă o familie de caracteristici, alegând ca parametru o mărime de intrare. Caracteristicile statice pentru conexiunea emitor comun sunt cele mai folosite. În figura 3-30 s-a reprezentat o familie de altfel de caracteristici de ieşire, la care parametrul s-a ales tensiunea BE. În figura 3-33 se prezintă aspectul caracteristicilor de intrare şi de transfer, de i B i C i C 20µA 2mA 0,6 u BE 0,6 u BE Fig. 3-33 Caracteristici de intrare şi de transfer i B
În figura 3.34 se prezintă caracteristicile de ieşire ale unui tranzistor npn, în funcţie de parametrul i B, eidenţiindu-se regiunile actiă normală, actiă inersă şi de saturaţie. S-au utilizat scări diferite pentru alori pozitie sau negatie. i C [ma] Regiunea de saturaţie Regiune a actiă normală -8-6 -4-2 5 4 3 2 1 i B 0,04mA 0,03mA 0,02mA 0,01mA i B 0 i B 0 i B 0,01mA 0,02mA 0,03mA 0,04mA Regiune a actiă inersată u CE 10 20 30 40-0,02 Regiunea de -0,04 saturaţie B CE0 ALORI TIPICE -0,06 RAN: β F 100-0,08 α F 0,99-0,10 RAI: β R 1 5 α R 0,5 0,8 Fig. 3-34 Caracteristicile de ieşire i C f(u CE ) cu parametrul i B S-a eidenţiat şi fenomenul de străpungere, caracterizat de tensiunea de stăpungere B CE0 (breakdown oltage) între colector şi emitor ca baza în gol.
1.1. Funcţionarea tranzistorului bipolar în regim ariabil la semnal mic Se consideră un circuit teoretic reprezentat în figura 3-38. Se admite că tensiunea de polarizare, CC, este suficient de mare încât joncţiunea bază colector să rămână polarizată iners, pentru toate alorile posibile ale componentei ariabile be, deci tranzistorulu să se menţină permanent în regiunea actiă normală. Tensiunea BE aând şi componentă continuă şi ariabilă, curenţii i B şi i C or aea, la rândul lor, atât componente continue, cât şi ariabile. BE BE + be BE be be ic IS e T ic IS e T IS e T e T IC e T BE BE + (3.99) be i C I C +i c Relaţia (3.99) oferă posibilitatea determinării mărimii totale a curentului de colector. Ea permite şi stabilirea unui i B I B +i b criteriu după care componenta ariabilă să fie considerată sau nu de semnal mic. be BE BE CC Fig. 3-38 Circuit pentru studiul funcţionării tranzistorului la semnal mic 1.1.1. Criteriu de estimare a mărimii semnalului Dezoltând relaţia (3.99) în serie Taylor se obţine: ic I be be be C + + 2 T + 3 T 1 1 1 +... (3.100) 2 6 T Se poate considera semnalul mic atunci când circuitul este liniar, adică atunci când se pot neglija termenii de grad superior din relaţia (3.100). Aceasta însemană că: be << T (3.101) I În acest caz: ic I C C + be (3.102) T I Componenta ariabilă este: i C c be g m be (3.103) T unde s-a notat cu g m tranconductanţa de semnal mic a tranzistorului: I g C m (3.104) T Practic, se poate considera că, dacă be < 10m, erorile care apar datorită aproximaţiei de semnal mic sunt sub 10%.
1.6.2. Modelul π-hibrid simplificat Conform cu definirea regimului ariabil la semnal mic, porţiunea din caracteristica dispozitiului parcursă de punctul de funcţionare poate fi aproximată cu tangenta dusă în punctul static de funcţionare. Considerând caracteristica de transfer i C f( BE ), adică: BE (3.105) ic ISe T relaţia între componentele de semnal mic a fi: i c g m be (3.106) unde: BE be di I g C S d e IS e T IC m T (3.107) BE PSF T T T PSF Se obseră că s-a regăsit relaţia (3.104). Transconductanţa g m modelează efectul de tranzistor pentru componentele de semnal mic ale mărimilor electrice. Deoarece joncţiunea bază-emitor este direct polarizată, prin echialenţă cu comportarea joncţiunii p-n la semnal mic, între bază şi emitor, pentru semnal mic, comportarea tranzistorului a fi descrisă de o rezistenţă. Relaţia între curentul de bază şi tensiunea bază-emitor de semnal mic este deci: be i b r π unde cu r π s-a notat rezistenţa echialentă la semnal mic între bază şi emitor. b r π + - ic g r be m β π (3.109) ib ib gm Cele două elemente, g m şi r π pot descrie, într-o primă aproximaţie, c funcţionarea tranzistorului bipolar în regim ariabil, la semnal mic, dacă frecenţa de lucru nu este prea mare. Modelul bazat pe cei doi parametri este prezentat în g m be figura 3-39 şi se numeşte modelul π-hibrid simplificat. e Fig. 3-39 Modelul de semnal mic π-hibrid simplificat (3.108)
1.6.3. Modelul π-hibrid complet Luând în considerare şi alte fenomene se or găsi elemente care să completeze modelul din figura 3-39. a) Rezistenţa de ieşire S-a arătat că efectul Early produce ariaţia curentului de colector, i C, cu tensiunea colector, CE. unde A este tensiunea Early. Pentru componentele de semnal mic, relaţia deine liniară: unde: b i b r π + - i e g m be e Fig. 3-40 Modelul de semnal mic incluzând şi r o i c r o c i C I S 1 + CE A e BE T ic gm be + go ce g o 1 r O i Deci rezistenţa de ieşire are expresia: ro A IC Modelul completat cu acest element este prezentat în figura 3-40. C CE PSF I (3.110) (3.111) C A (3.113) (3.112) b) ariaţia sarcinii în regiunea bazei S-a arătat că la ariaţia tensiunii colector emitor, CE, se modifică panta distribuţiei de purtători minoritari din bază. Aceasta înseamnă, de fapt, modificarea sarcinii de purtători minoritari din bază. La creşterea tensiunii u CE, corespunde creşterea pantei, deci, conform figurii 3-29, micşorarea ariei triunghiului o;w B ;n p (0), adică micşorarea sarcinii de bază. Aceasta duce la micşorarea curentului de bază. Acest efect se modelează cu un r b µ c rezistor plasat între colector şi bază, notat cu r µ., ca în figura 3-41. r π + - g m be e r o Fig. 3-41 Modelul π-hibrid care include şi r µ Se poate arăta că: rµ > β rπ (3.114) aloarea sa fiind foarte mare, r µ se a lua în considerare numai când restul circuitului conţine rezistenţe fizice sau echialente foarte mari.
d) Rezistenţele parazite După cum se poate obsera în figura 3-15-a, între contactele terminalelor tranzistorului, din partea de sus şi partea actiă a structurii, plasată sub emitor, se înseriază porţiuni de material semiconductor, care prezintă o anumită rezistiitate. Efectul acestora se r r manifestă mai ales la curenţi mari de polarizare. alori tipice pentru aceste rezistenţe parazite, corespunzând unor b b b µ r c c tranzistoare din circuitele integrate, sunt următoarele: re 1Ω 3Ω rb notatã uneori si r x 50 500Ω (3.115) rc 20Ω 200Ω Se poate obsera, în figura 3-42 că generatorul care modelează efectul de tranzistor nu mai este comandat de întreaga tensiune aplicată la terminale, be, ci numai de partea disponibilă la nodurile interne b ' şi e '. r π + - g m b e d) Capacităţi În figura 3-43, în care se prezintă modelul π-hibrid complet al tranzistorului, apar şi trei capacităţi. Capacitatea C π include o componentă datorată sarcinii de b r x b r π + - C π e r µ C µ g m b e r o C cs r c c bază (ariaţia curentului i c ca răspuns la ariaţia tensiunii BE implică modificarea distribuţiei de purtători minoritari şi deci a sarcinii de minoritari din bază), care este, de fapt, o capacitate de difuzie. O a doua componentă a capacităţii C π o reprezintă capacitatea de barieră a joncţiunii emitoare, datorate sarcinii din regiunea de tranziţie a acestei joncţiuni. Capacitatea C µ este capacitatea de barieră a joncţiunii colectoare. Tranzistoarele npn din circuitele integrate mai sunt afectate de o capacitate parazită a joncţiunii care apare între colectorul de tip n şi substratul de tip p pe care se realizează circuitul integrat, capacitate notată cu C CS. e e r e Fig. 3-42 Includerea rezistenţelor parazite în modelul de semnal mic r o e Fig. 3-43 Modelul de semnal mic π-hibrid complet r e
Tranzistorul cu efect de camp Clasificare, simboluri Functionarea se bazeaza pe controlul conductiitatii unui canal semiconductor cu ajutorul unui camp electric orientat transersal fata de acest canal. cu canal n TEC - J (TEC cu poarta jonctiune) cu canal p TEC - MOS (TEC cu poarta izolata Metal - Oxid -Semiconductor) cu canal cu canal indus (cu imbogatire - enhancement) cu canal cu canal n cu canal initial (cu saracire- depletion) cu canal p n p
drena i D Canal n poarta gate (grila) substrat (body) TEC-J (J-FET) sursa TEC- MOS cu canal indus (enhancement MOS-FET) TEC- MOS cu canal initial (depletion MOS-FET) D D D Canal p G G i D B G B S S S
TEC MOS cu canal n indus structura; procese fizice
GS 0 doua diode in opozitie inseriate intre drena si sursa nu circula nici un curent intre D si S daca se aplica o tensiune DS > 0 exista o regiune golita de purtatori liberi de sarcina electrica intr substratul de tip p si regiunile de tip n+ ale drenei si sursei GS > 0 potentialul poziti de pe poarta respinge golurile libere rezultand o regiune golita incarcata cu sarcina negatia a atomilor acceptori ionizati pe masura ce GS creste, sunt atrasi electroni liberi care, treptat, formeaza un strat de inersiune (mai multi electroni decat goluri) la suprafata de sub electrodul poarta (se INDUCE un canal conductor de tip n intre D si S). Acest fenomen apare daca GS > Th (tensiune de prag threshold) daca se aplica o tensiune DS > 0, a cirula un curent intre D si S prin canal
TEC MOS cu canal n indus functionarea in regiunea de blocare GS DS < 0 Th i D 0
TEC MOS cu canal n indus functionarea in regiunea trioda GS GS > Th EXISTA canal canalul se adanceste (R Ch ) Pt. alori mici ale tensiunii i i D D ~ R DS DS Ch ; R Ch ~ GS Pentru tensiuni DS mici, tranzistorul se comporta intre drena si sursa ca un rezistor cu rezistenta controlata de tensiunea GS 1 TH DS
S G D GS Ch (x 0 ) DS GCh (x 0 ) h Ch (x 0 ) GD DS - Ch (x 0 ) 0 x 0 L x GCh GCh GCh (x); (x) > (x) < Th Th GCh GCh (0) (L) h h Ch Ch GS GD (x) 0 (exista canal in x) (x) 0 (NU exista canal in x) DS GS - Th x In particular : DS 2 > 0 > x1 (x) GCh GD h Ch (x 2 GS GS ) < Ch h DS (x Ch 2 Ch (x ) (x) 1 ) > GD Ch < (x 1 GS ) GCh (x 2 h ) < Ch GCh (L) < (x h 1 Ch ) (0) DS h GD Ch GS Th (L) 0 Th
> 14243 DSsat Th GS DS Th GS ( ) [ ] n C ox KP ; 2 KP L W K 2 DS DS Th GS D 2 K i µ
i D K TEC MOS cu canal n indus functionarea in regiunea de saturatie (actia) Reg. trioda GS DS DSsat 2 [ 2 ( ) ] GS > GS Th 14243 Th Th DS DS Reg. saturata (actia) GS DS > Th > GS Th 14243 DSsat La limita, DS DSsat GS Th i D sau i D K K ( ) GS 2 DS Th 2 Pt. DS > DSsat curentul i D ramane constant, egal cu aloarea de la limita regiunii trioda. Electronii sunt transportati de la arful canalului la drena sub actiunea campului electric din aceasta regiune.
Reg. saturata (actia) GS DS > > Th GS Th 14243 DSsat i D K ( ) 2 GS Th Regiune in care panta scade datorita cresterii rezistentei canalului cu DS Regiune aproape liniara cu panta proportionala cu ( GS Th ) Curentul se satureaza deoarece canalul este strangulat in dreptul drenei si DS nu mai afecteaza canalul
( ) Th GS DS DS D K i 2 Th GS 2 > > 14243 DSsat Th GS DS Th GS ( ) 2 Th GS D K i
21
22
23
GS DS > > Th GS Th 14243 DSsat Efectul modularii lungimii canalului i r D o K 1 λ I 2 ( ) ( 1+ λ ) D GS I A D Th DS
TEC MOS cu canal n initial structura; regiuni de functionare Exista canal (I D > 0) chiar si la GS 0; pentru a anula canalul tebuie aplicata o tensiune GS negatia. Deci tensiunea de prag este negatia ( Th < 0)
Conditiile care definesc regiunile de functionare si expresiile marimilor electrice asociate acestora raman IDENTICE cu cele de la TEC MOS cu canal n indus; Tensiunea de prag este insa negatia ( Th < 0). Reg. blocare Reg. trioda GS DS GS > TH GS TH Reg. saturata (actia) I GS DS DSS Th i > > D I D 0 i TH GS D (0) K Th K [ ] 2 2 i 2 Th ( ) D GS K Th ( ) GS DS Th 2 DS
TEC-J cu canal n structura; regiuni de functionare Canalul este delimitat de 2 jonctiuni pn polarizate iners ( GS < 0); modificarea tensiunii GS determina ariatia extinderii regiunilor de tranzitie ale jonctiunilor si deci controleaza adancimea canalului. Conditiile care definesc regiunile de functionare si expresiile marimilor electrice asociate acestora raman IDENTICE cu cele de la TEC MOS cu canal n indus si TEC MOS cu canal n initial; Tensiunea de prag este negatia ( Th < 0), ca si la TEC MOS cu canal n initial. TEC-J cu canal n functioneaza NUMAI la GS < 0 (altfel s-ar polariza direct jonctiunile si i G ar deeni foarte mare
Comparatie intre cele 3 tipuri de TEC cu canal n caracteristica de transfer in regiunea saturata
TEC cu canal p Toate inegalitatile care definesc regiunile de functionare si toate expresiile marimilor electrice asociate raman IDENTICE cu cele de la TEC cu canal n DACA SE OPEREAZA TRANSFORMARILE : GS SG DS SD Th Th sensul de referinta al i D se inerseaza
Caracteristicile de transfer in regiunea saturata pentru TEC cu canal p si canal n
Structura CMOS
32
33
34
35
36
Capitolul al n-lea Circuite de polarizare n.1 Definitii; probleme specifice Pentru prelucrarea de semnale ariabile, aceste semnale trebuie spuprapuse peste componente continue care să stabilească punctul static de funcţionare într-o regiune conenabilă a caracteristicii dispozitiului utilizat. POLARIZARE totalitatea tehnicilor de circuit prin care se stabileşte un anumit punct static de funcţionare pentru un dispoziti
U BC I B I C U CE I G GD I D DS U BE I E GS I S IE IC + IB U U + U CE BC BE IC IS e IC β I B U BE T IS I I D G DS I D + I K 0 G GD + GS ( ) GS Th 2 PSF ( ) PSF ( ) I C, U CE I D, DS
n.2 Circuite de polarizare realizate cu componente discrete pentru tranzistorul bipolar cu jonctiuni Circuitul simplu de polarizare R B I B U BE R C I C Q (a) U CE CC R B DI U D I B U BE R C β I B I C (b) U CE CC I B CC I C U CC D U R B R D B I B ; dacã β I β B CC CC R B > U U D D CC R C I C + U CE U CE CC R C β CC U R B D
Circuitul de polarizare cu rezistor in emitor
Proiectarea pentru stabilitate specificată a punctului static de funcţionare I T T CC UD ( TMIN ) C( MIN) β( MIN) RB + [ β( TMIN) + 1] RE U T IC( TMAX) ( T CC D ( MAX ) β MAX) R + [ β( T ) + 1] R B MAX E U CE Circuitul de polarizare cu rezistor in emitor ( T ) MAX CC R C + β ( TMAX ) + β( T ) MAX 1 R E I C ( T ) MAX
Circuitul de polarizare cu diizor de tensiune în bază şi rezistor în emitor R B1 R B2 I B U BE I C R C U CE R E I E CC I B D C β RB + ( β + 1) RE β U R + + 1 R I β CE CC C E C R B1 R B R B1 R B2 B CC R B2 /(R B1 +R B2 ) I C R C CC R B R B I B U CE CC R B2 B B U BE R E I E
n.3 Circuite de polarizare realizate cu componente discrete pentru tranzistorul cu efect de camp
n.4 Circuite de polarizare specifice circuitelor integrate analogice
Oglinda de curent simplă Surse de curent cu TBJ I REF I O I C2 I BE1 BE2 C1 I C2 I C2 I B1 I B2 Q 1 Q 2 A 2 A I 2 I Q1 Q2 S1 S2 ic IS e BE T BE1 BE2 ( β ) I I 1 + 2I βi + 2I + 2 I REF C B B B B IC 2 I 1 C2 I O β I β + 2 REF β I I I O C2 β B I O 1 1+ 2 1 β I B 0 I REF
Oglinda de curent simplă Rezistenta de iesire i C BE4 BE3 BE2 BE1 - A 0 CE b i b r π + - g m be i c r o c r o I A C i e e
Oglinda de curent simplă Rezistenta de iesire
Structură de polarizare care realizează rapoarte între curenţi Q 5 Q 6 1 1 + CC - I REF I 2 I REF /2 I 3 3 I REF /2 I 4 I 6 I 4 I REF 2 1 3 2 Q 3 Q 4 Q 1 Q 2 + EE -
Surse de curent cu TEC Oglinda de curent simplă
Etaje elementare de amplificare 1 Etaje elementare de amplificare cu tranzistoare bipolare cu jonctiuni Deoarece tranzistorul bipolar cu joncţiuni are trei terminale, unul dintre acestea a fi comun intrării şi ieşirii. Se or deosebi trei conexiuni elementare: - emitor comun (EC); -bază comună (BC); - colector comun (CC). Identificarea conexiunii se referă la regimul ariabil şi, în consecinţă, se a realiza utilizând o schemă echialentă în regim ariabil. În curent continuu nu este obligatoriu să existe un terminal la masă. Analiza etajelor elementare se a efectua în bandă, utilizînd modelul π-hibrid simplificat. Se or urmări câţia dintre parametrii caracteristici amplificatoarelor, cum ar fi: amplificarea de tensiune, rezistenţa de intrare şi rezistenţa de ieşire.
R g g R i i C B Etaj elementar de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea emitor comun R B1 R B2 R E R C Q C E C L o R o R L + CC - I B UB C RB + ( β + 1) RE β U R + + 1 R I β CE CC C E C B CC R R R // R R B B1 B2 B2 + R B1 B2 Punctul static de functionare R B1 R B2 I B U BE I C R C I E Q R E U CE CC
R g R i i C B R B1 R B2 R C Q C L o R o R L + CC - g R g R i i R B Q R C R o R L o a o i g R E C E R B R B1 R B2 R L R C R L g R g R i R it b i R B + r π c R ot - e g m be R C R L R o R L o g r m π I β g C m T Amplificarea de tensiune ( ) o gm be RC // RL a o gm R be i ' i L
g R g R i R it b i R B + r π c R ot - e g m be R C R L R o R L o g r m π I β g C m T Ri RB// RiT Rezistenta de intrare t R i t it i t t + r π - g m be R it T r π i t Ri RB// r π
g R g R i R it b i R B + r π c R ot - e g m be R C R L R o R L o g r m π I β g C m T R ot R o i t t Rezistenta de iesire R g R B + r π - g m be R C i t t R o t i t R C
R g g R i I i C B C Etaj elementar de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea colector comun (repetor pe emitor) R B1 R B2 β R R E B B CC R R R // R Q C L ( β 1) o B UD + + R R B B1 B2 B2 + R B1 B2 + CC - R o E R L Punctul static de functionare R B1 R B2 I B U BE I C I E Q R E U CE CC β U R I + 1 I R β CE CC E E CC C E
Amplificarea in tensiune g R g R i i R it R B Q R o R ot R i R g R it b g i R B + r π - e c g m be R o R B R B1 R B2 R E R L o R ot R L R L (a) R E R L o (b) o ie RE RL ib + ic RE RL + r ( // ) ( ) ( // be ) g ( R // R ) 1 g r + m π 1 R R + β r r π m be E L ( // ) ( R // R ) be E L be E l π π
Amplificarea in tensiune g R g R i i R it R B Q R o R ot R i R g R it b g i R B + r π - e c g m be R o R B R B1 R B2 R E R L o R ot R L R L (a) R E R L o (b) i be + o ( β ) ( // ) 1 + + β rπ + + 1 RE R i be be ( RE // RL) r r π π L be
Amplificarea in tensiune a o i ( β + 1) ( RE // RL) + ( β + 1) ( // ) r R R π E L r π ( β + 1) ( β 1) R ' L + + R ' L Rezistenta de intrare i t R it be it rπ g g rπ i β i m be m t t t + r π - g m be R it ( ) ' ' t be L e t L t + R i rπ i + R β + 1 i r t π it + ( ) ' β + 1 R L R LR E R L Ri RB// RiT
Rezistenta de iesire R g Ro RE // RoT R B + r π - g m be R ot t i t 1+ R 1 r π g + // R r π g m B i t be i t + + rπ t be g R ot t m r be π be 0 ( R // R ) g B ( ) r + ( R R ) g // B π g // B rπ + R R 1+ g r 1+ β R o m R E π // ( ) g// B r + R R π β + 1
g R g R g Etaj elementar de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea baza comuna R i C E i R E R B R i R it Q Q R o R C L C R B1 I C R B R L I B o C B R B2 U BE CC RoT R o R C Q I E U CE R E CC g i R E R C R L o R L g R g R i i R it g m be RoT R o e - c R E r π R C + R L o b
g R g R i i R it g m be RoT R o e - c R E r π R C + R L o b Amplificarea in tensiune ( R // R ) g g R be i ' o C L m be m be L a o gm R i ' L
i t t R it g m be - r π + R L Rezistenta de intrare i t + be r be π + g t m be 0 Ri RiT // RE i t t 1 gm r + gm t + π 1 t + β r r r π π π t R it t rπ i β + 1 t Rezistenta de iesire R g R E - r π + R ot g m be R C R o i t t i t t R o R C
Etaj elementar de amplificare cu tranzistor bipolar în conexiunea emitor comun cu rezistenta de emitor nedecuplata R g R i i C B R B1 R B2 R C Q C L o R o R L + CC - g R g R i i R it R B Q R ot R o R C R L o g R E R E R g R i R it R ot R o g R B i + r π - g m be R C R L R L o R E
R g R i R it R ot R o g R B i + r π - g m be R E R C R L R L o Amplificarea in tensiune o i g be m be + r be π R ' L + g m be R E a o i g m R 1+ gm r 1+ r π ' L π R E r π β R + ' L ( β + 1) R E a R R ' L E
Rezistenta de intrare i t R it t + r π - g m be R L Ri RB // RiT be it rπ g g rπ i β i m be m t t R E ( ) i rπ + β + 1 R t t E Rezistenta de iesire R ot R o R C R it t rπ + ( β + 1) R i t E
2 Etaje elementare de amplificare cu tranzistoare cu efect de camp Etaj elementar de amplificare cu TEC MOS cu canal p initial în conexiunea sursa comuna
Etaj elementar de amplificare cu TEC MOS cu canal n indus în conexiunea poarta comuna
Etaj elementar de amplificare cu TEC-J cu canal n în conexiunea drena comuna (repetor pe sursa)