8. BIPOLARNI TRANZISTOR

8. BIPOLARNI TRANZISTOR Bpolarn tranzstor je najmasovnje korštena poluvodčka komponenta. Sastoj se od dva p-n spoja. Ova komponenta se najčešće označava kao Bpolar Juncton Transstor (BJT), odnosno bpolarn tranzstor l bpolarn spojn tranzstor. Postoje dvje zvedbe ovog tranzstora: pnp tp [slka 8.1 a) šematsk prkaz: slka 8.1 b)] npn tp [slka 8.2 a) šematsk prkaz: slka 8.2 b)]. Na slkama 8.1 a) 8.2.a), prkazan su zvor napajanja koj vrše polarzacju pn spojeva. Pošto je proces provođenja struje kroz ovakav tranzstor zasnovan na obje vrste naboja (većnsk manjnsk), to se on zato zovu bpolarn tranzstor. Mada je za prozvodnju ovh tranzstora koršten germanjum, on se u savremenm zvedbama uglavnom prave od slcjuma. Polarzacja tranzstora na slkama 8.1 a) 8.2 a) nazva se normalna polarzacja tranzstora, za razlku od stuacje kada se polartet baterja zamjene to je onda nverzna polarzacja. Elektromotorne sle, koje su prključene na tranzstor u spoju sa zajednčkom bazom preko prpadnh otpora (R E R C ), označene su na slkama sa V BB (emter-baza) V CC (kolektor-baza). Napon zmeđu tačke E uzemljene baze, označava se kao V EB l. Napon zmeđu tačke C uzemljene baze, označava se kao V CB l. a) b) Slka 8.1 a) pnp tranzstor u normalnoj polarzacj sa uobčajenm smjerovma struja emtera, baze kolektora b) šematsk prkaz smbol za pnp tranzstor 9

a) b) Slka 8.2 a) npn tranzstor u normalnoj polarzacj sa uobčajenm smjerovma struja emtera, baze kolektora b) šematsk prkaz smbol za npn tranzstor Spoj koj je u normalnoj polarzacj drektno polarzran, nazva se emtersk spoj, a prpadn vanjsk sloj (p kod pnp tranzstora, odnosno n kod npn tranzstora) nazva se emter ( E). Spoj koj je u normalnoj polarzacj nverzno polarzran, nazva se kolektorsk spoj, a prpadn vanjsk sloj ( p kod pnp tranzstora, odnosno n kod npn tranzstora) se nazva kolektor (C). Emter kolektor, kao poluvodč stog tpa razdvojen su poluvodčkm slojem suprotnog tpa, koj se nazva baza (B). Šrna srednjeg sloja, baze, je zuzetno mala (manja od 10-5 m). Tranzstor se prave sa razlčtm koncentracjama prmjesa u pojednm slojevma, tako da je emter najjače dopran, kolektor nešto slabje a baza najslabje. 10

U gruboj aproksmacj tranzstor se može predstavt preko spoja dvje dode, al ova predstava ne daje dobre rezultate; zbog uskog pojasa baze, ovdje ne vrjede jednačne grančn uvjet postavljen za pn spoj. Kao kod dode, uz emtersk kolektorsk spoj formraju se osromašene oblast. Nakon prključenja zvora napajanja, u emterskom spoju se uočava smanjenje potencjalne barjere, pošto se napon U BB dodaje u drektnoj polarzacj. Obrnuto, u nverznoj polarzacj, koja određuje kolektorsk spoj, dodavanjem negatvnog napona U CC, povećava se potencjalna barjera. Osromašena oblast uz emtersk spoj je, zbog drektne polarzacje, uža od osromašene oblast uz kolektorsk spoj, koj je u nverznoj polarzacj. Šrna osromašene oblast zavs od velčne napona polarzacje. Ovo podrazumjeva, da se pr promjen znosa napona polarzacje, efektvna šrna baze mjenja. Zbog postojanja osromašenh oblast, stvarna šrna baze je smanjena. Osromašene oblast koje razdvajaju pn područja su po karakteru utcaju ste kao kod dode sa površnskm spojem. U njma se nalaze nekompenzran donorsk akceptorsk jon. Slčno poluvodčkoj dod, paralelno emterskom kolektorskom spoju djeluju kapactet : u emterskom spoju dfuzon kapactet, a u kolektorskom spoju kapactet prostornog naboja. Kapactvnost kolektorskog spoja ma već utcaj na rad tranzstora, mada je njegova kapactvnost manja (zbog veće šrne osromašene oblast), pošto je emtersk spoj drektno polarzran, pa je njegov otpor mal predstavlja kratak spoj, čme je premošćen kapactet u emterskom spoju. Osnovn efekat rada, tz. tranzstorsk efekat, postže se kretanjem šupljna kroz tranzstor pnp tpa kretanjem elektrona kroz tranzstor npn tpa. Kod tranzstora pnp tpa, šupljne se z emtera, gdje su glavn nosoc naboja, kreću pod utcajem elektrčnog polja ka spoju sa bazom, gdje ova koncentracja raste. S obzrom da je u baz, koja je n tpa, koncentracja šupljna neznatna (manjnsk nosoc), to se šupljne prspjele z emtera dfuzjom šre kroz bazu ka kolektorskom spoju. Kolektorsk spoj, koj je nverzno polarzran, potpomaže kretanje manjnskh noslaca z baze (šupljne) kroz potencjalnu barjeru, koje prelaze u kolektor čneć kolektorsku struju. Ako se zanemar bazna struja, kolektorska emterska struja su jednake. Na st načn je moguće objasnt ponašanje npn tpa tranzstora. 8.1 Komponente struja kroz tranzstor Razmatraće se pnp tp tranzstora, kao do sada, šematsk prkazan na slc 8.3 a). Kako je emtersk spoj drektno polarzran, struju kroz emter (I E ), sačnjavaju struja šupljna (Ip E ) koje z emtera prelaze u bazu, struja elektrona (In E ) koj z baze prelaze u emter pa vrjed : I E =Ip E + In E (8.1) 11

Kako samo struja šupljna doprnos tranzstorskom efektu, efkasnost emtera (γ) se defnra [vodeć računa da je odnos struja elektrona šupljna srazmjeran provodnost p n područja, označeno u (8.2) sa (*)] kao: I γ = I pe E 1 = I 1+ I ne pe I I ne pe σ n σ p (*) (8.2) Pr prozvodnj tranzstora se vod računa da je provodnost emtera mnogo veća od provodnost baze, pa je efkasnost emtera vrlo blska jednc. Šupljne se kroz područje baze kreću dfuzjom prema kolektorskom spoju djelomčno se rekombnuju sa elektronma, koj su većnsk nosoc naboja u baz. Zato je struja šupljna koja dođe do kolektorskog spoja (Ip C ) manja od struje šupljna na emterskom spoju: Ip C < Ip E (8.3) Kolčnk ove dvje struje se nazva transportn faktor označava se sa ßt: I pc β t = (8.4) I pe Kako je područje baze vrlo usko, provodnost baze vrlo mala (najslabje doprana), rekombnacja u području baze je vrlo mala, praktčno je vrjednost transportnog faktora od 0,99 do 0,999. Vrjednost transportnog faktora raste sa porastom napona polarzacje kolektorskog spoja, jer se povećava šrna osromašene oblast, pa je efektvna šrna baze manja, što ma za posljedcu smanjenje procesa rekombnacje. Struju kolektora čne struja šupljna koje z baze prelaze u kolektor struja elektrona koj z kolektora prelaze u bazu (obje ove struje su rezultat manjnskh noslaca naboja: šupljne u baz elektron u kolektoru). Kako je struja elektrona znatno manja od struje šupljna, to je praktučno struja kolektora jednaka struj šupljna. Slka 8.3 a) Šematsk prkaz struja u pnp tranzstoru 12

Slka 8.3 b). Šematsk prkaz struja u npn tranzstoru. Struja baze je jednaka razlc struja emtera kolektora (Slka 8.3 a)). Na ovoj slc je velkom strelcom (zelena) označen protok šupljna z p kroz n u p područje, kao do šupljna koj se rekombnraju sa elektronma u baz. Donjom strelcom (plava) je prkazana struja elektrona z baze u emter. Sa B je označena struja sopstvenh šupljna baze. Na slc 8.3 b) je dat šematsk prkaz struja u npn tranzstoru. 8.2 Iznos struja kroz tranzstor jednačne Gummel-Poon-a Razmotrće se pnp tp tranzstora u spoju sa zajednčkom bazom, kako b se doble jednačne potrebne za opsvanje statčke -u karakterstke bpolarnog tranzstora. Jednačne će se zvest za slučaj kada su oba pn spoja tranzstora drektno polarzrana. Korstće se predstava svakog promatranog pn spoja putem doda - prkazano slkom 8.4 a) prpadnh dodnh jednačna. Za nalaženje potrebnh relacja može se korstt prncp superpozcje struja, što znač da promatramo: a) drektno polarzran samo spoj emter - baza preko napona u EB, dok je kolektor u kratkom spoju sa bazom (u CB =0)- prkazano slkom 8.4 b); b) drektno polarzran samo spoj kolektor-baza preko napona u CB, dok je emter u kratkom spoju sa bazom (u EB =0) - prkazano slkom 8.4 c); c) znos struja dobjen za slučajeve a) b) se sabru. 13

a) Emter Base Colector b) c) Slka 8.4.a); Idealzrana pnp struktura tranzstora za uopćenu polarzacju; b) pnp tranzstor sa prključenm naponom u EB, u CB =0; c) pnp tranzstor sa prključenm naponom u CB, u EB =0; a) Spoj emter-baza je drektno polarzran naponom u EB, koj uspostavlja emtersku struju E, koja je jednaka ukupnoj struj koja prolaz kroz spoj emter-baza. Ona se sastoj od dvje struje: veće, drektne transportne struje F, koja dolaz u kolektor, putujuć kroz usku oblast baze od emtera ka kolektoru, struje baze B koja prolaz kroz spoj emter- baza, kako sljed: C V B E T = C Is e VT = = 1 β F β F (8.5) = F C = Ise + B = 25mV UEB 1 = Is 1 + β F e 14

Ovdje je defnran parametar ß F, nazvan drektno strujno pojačanje tranzstora u spoju sa zajednčkm emterom [forward (l normal) common-emter curent gan] kao odnos struje kolektora struje baze. Njegove tpčne vrjednost su: 20 β 500 (8.6) F Defnra se još parametar α F, nazvan drektno strujno pojačanje tranzstora u spoju sa sa zajednčkom bazom [forward (l normal) common-base curent gan]. Njegove tpčne vrjednost, kao odnos zmeđu α F ß F, dat su sljedećm jednačnama: 0,95 α α F = F β F F < 1,0 β + 1 (8.7) b) U ovom slučaju je napon u CB doveden na spoj kolektor-baza, dok je spoj emter baza u nultoj polarzacj. Ovaj napon uspostavlja drektnu polarzacju kolektorskog spoja uspostavlja nverznu transportnu struju R koja teče od kolektora prema emteru (suprotno od drektne) struju baze B, kako sljed: B C E = = E R = Ise B R Is = = e β R β R 1 = Is 1 + β R e (8.8) Znak mnus u jednačn za struju emtera uzrokovan je suprotnm smjerovma struje emtera nverzne struje (u suprotnom smjeru od drektne), a ndeks R je od reverse - nverzna. Iz razloga što bpolarn tranzstor nje smetrčan poluvodčk element, šta vše, kolčna prmjesa u emterskom kolektorskom djelu je značajno razlčta, to uzrokuje značajnu razlku zmeđu baznh struja u drektnom nverznom smjeru. Ovdje je zato defnran parametar ß R, sto kao u slučaju pod a), nazvan nverzno strujno pojačanje tranzstora u spoju sa zajednčkm emterom [reverse (l nverse) common-emter curent gan]. Njegove tpčne vrjednost su u grancama: 0 < ß R 20 (8.9) Uočljvo je da je gornja granca ß R jednaka gornjoj granc ß F. Takođe se defnra parametar α R, nazvan nverzno strujno pojačanje tranzstora u spoju sa zajednčkom bazom [reverse (l nverse) common-base current gan]. Njegove tpčne vrjednost, kao odnos zmeđu α R ß R, dat su sljedećm jednačnama: 15

0 < α 0,95 α R = R β β R R + 1 α R β R = 1 α R (8.10) U tabel T 8.1 su komparrane tpčne vrjednost koefcenata ß α.. Zbog toga što se opsez ovh koefcjenata ne poklapaju u drektnoj nverznoj polarzacj (sem na granc), moguće h je razlkovat. TABELA T 8.1: Poređenja strujnh pojačanja u spoju sa zajednčkom bazom zajednčkm emterom α α ß ß 0.1 α R 0,11 ß R 0,5 α R 1 ß R 0,9 α R 9 ß R 0,95 α R α F 20 ß R ß F 0,98 α F 99 ß F 0,998 α F 499 ß F c) U slučaju kada su na pnp tranzstor prključena oba napona u EB u CB, potrebno je sabrat struje tranzstora z slučaja a) b), date jednačnama (8.5) (8.8), kako b se doble ukupne struje: C E B = Ise = Ise VT Is = e β F e e UEB VT Is β R Is + β F Is + β R e e e VT (8.11) Jednačne (8.11) predstavljaju pojednostavljen Gummel-Poon-ov transportn matematčk model pnp tranzstora mogu se korstt da povežu napone na prključcma struje u pnp tranzstoru, općento, za blo kakvu polarzacju. Ove jednačne vrjede za npn tranzstor u kom slučaju napone u EB u CB treba zamjent sa naponma u BE u BC respektvno. 16

Uočljvo je da su potrebna samo tr parametra da b se opsao svak specfčan bpolarn tranzstor: Is, ß T ß R (treba upamtt da je temperatura takođe značajan parametar, zbog = kt/q). Vd se da prv član u zrazu za emtersku kolektorsku struje u jednačnama (8.11) predstavlja ukupnu struju koja teče kroz područje baze tranzstora ( transportna struja ): UV CB V = = T T T F R Is e e (8.12) Ona odražava smetrju koja egzstra zmeđu napona emtera-baza napona kolektor-baza u formranju domnantne struje kroz tranzstor. U bt, jednačne (8.11) predstavljaju pojednostavljenu verzju mnogo kompeksnjeg Gummel-Poon-ovog matematčkog modela, predstavljaju osnov za model bpolarnog spojnog tranzstora koj se korst u računarskom smulaconom paketu SPACE. Kompletn Gummel-Poon-ov model opsuje karakterstke bpolarnog spojnog tranzstora u vrlo šrokom opsegu uvjeta rada, uvelko je potsnuo prethodn Ebers-Moll-ov model, koj ovdje neće bt obrađen. Na osnovu jednačna (8.11) može se napravt ekvvalentna šema tranzstora, tz. transportn model pnp tranzstora, koj je predstavljen sa dvje drektno polarzrane dode u međusobnom spoju katoda-katoda, kroz koje teku komponentne bazne struje, čneć na zajednčkom spoju (katoda) ukupnu baznu struju. Paralelno ovom spoju vezan je strujn zvor, defnran jednačnom (8.12), što je prkazano na slc 8.5 b). Ekvvalentna šema za npn tranzstor je prkazana na slc 8.5 a). 17

Slka 8.5 a) Transportn model npn tranzstora, b) transportn model pnp tranzstora PRIMJER: Odredt struje I C, I E I B za pnp tranzstor ako je Is=10-16 A, ß F =75, ß R =0,4; =0,75 V; =+0,7 V C = Ise = 0,557mA E = Ise Is B = e β F = 0,374mA e e Is e β R Is + e β F Is + e β R = 10 = 10 10 = 75 16 16 16 16 30 28 10 28 ( e e ) ( e 1) 16 30 28 10 30 ( e e ) + ( e 1) 16 30 10 28 ( e 1) + ( e 1) 8.3 Defnranje radnh područja tranzstora 0,4 0,4 75 = 10 = 10 = 10 4 16 16 10 10 12 12 (10,61 1,44 2,5 1,44) = (10,61 1,44 + 0,14) = 0,931mA 10,61 1,44 + = 10 75 0,4 Kod bpolarnog tranzstora pnp (l npn) tpa, svak pn spoj se može drektno l nverzno polarzrat, tako da postoje četr posebne oblast rada tranzstora prkazane tabelom T 8.2. a) Ako su oba pn spoja nverzno polarzrana, tranzstor je u bt neprovodan l zakočen (područje odreza-cutof regon) može se razmatrat kao otvoren prekdač. b) Ako su oba pn spoja drektno polarzrana, tranzstor je u oblast zasćenja (saturaton regon) ponaša se kao zatvoren prekdač. Ove dvje stuacje (odrez zasćenje) se najčešće korste da predstave dva bnarna stanja u logčkm kolma koja su realzrana pomoću bpolarnh tranzstora. 4 (0,14 + 3,6) = 18

c) U drektnoj aktvnoj oblast (foward-actve regon l normalnoj aktvnoj oblast) u kojoj je spoj emter-baza drektno polarzran, a spoj kolektor-baza nverzno polarzran, bpolarn tranzstor može obezbjedt velko pojačanje struje, napona l snage. Oblast drektne polarzacje je najčešće korštena za vsokokvaltna pojačanja. Osm toga, ova oblast rada se korst kod najbrže bpolarne logke (ECL emtersk spregnuta logka), gdje se tranzstor prekapča zmeđu oblast odreza drektne aktvne oblast. d) U nverznoj aktvnoj oblast (reverse-actve regon) spoj emter-baza je nverzno polarzran a kolektor-baza drektno polarzran. U ovoj oblast tranzstor pokazuje slabo pojačanje struje ne korst se često. TABELA T 8.2: Radne oblast bpolarnog pnp (npn)spojnog tranzstora SPOJ EMITER- BAZA DIREKTNA POLARIZACIJA INVERZNA POLARIZACIJA SPOJ KOLEKTOR- BAZA DIREKTNA POLARIZACIJA Oblast zasćenja (zatvoren prekdač) Oblast nvezne aktvne polarzacje (slabo pojačanje) SPOJ KOLEKTOR- BAZA INVERZNA POLARIZACIJA Oblast drektne aktvne polarzacje ( dobro pojačanje) Oblast kočenja (otvoren prekdač) Tabela T 8.2 se može u stoj form korstt za npn tranzstor, samo su tada promatraju nvertran spojev ( odgovarajuć napon): spoj baza-emter (u BE ) spoj baza kolektor (u BC ). Jednačne transportnog modela dobro opsuju ponašanje bpolarnog tranzstora, za blo koju polarzacju napona na zvodma tranzstora. Konačno, karakterstke spoja za svaku od četr radne oblast mogu bt korštene da se dobje set odgovarajućh jednačna za svaku posebnu oblast. Zadac: koja je oblast rada a) npn tranzstora sa V BE =0,75 V, V BC =-0,7 V (drektna aktvna); b) a pnp tranzstora sa V CB =0,7 V, V EB =0,7 5V (zasćenje); 8.4. I-u karakterstke bpolarnog tranzstora Komplementaran pregled -u karakterstka predstavljen je preko zlaznh prenosnh karakterstka. Izlazne karakterstke predstavljaju ovsnost kolektorske struje od napona kolektor-emter sa baznom strujom kao parametrom, odnosno predstavljaju ovsnost kolektorske struje od napona kolektor-baza, kod spoja sa zajednčkom bazom sa strujom emtera kao parametrom. 19

Prenosne karakterstke predstavljaju ovsnost kolektorske struje od napona bazaemter za spoj sa zajednčkm emterom, sa naponom kolektor-emter kao parametrom. Prenosne karakterstke ovdje neće bt razmatrane, jer su u bt ekvvalentne -u karakterstkama dode. Defnraju se dva tpa zlaznh karakterstka u zavsnost od načna spajanja tranzstora : 1) za spoj sa zajednčkm emterom (najćešće koršten) 2) za spoj sa sa zajednčkom bazom 8.4.1. Izlazne karakterstke za spoj sa zajednčkm emterom Za defnranje ovh karakterstka korst se tranzstorsk spoj sa zajednčkm emterom, prkazan na slc 8.6. a) za npn spoj b) za pnp spoj, kako b se doble zlazne karakterstke u spoju sa zajednčkm emterom. Slka 8.6. a) Spoj npn tranzstora sa zajednčkm emterom; b) Spoj pnp tranzstora sa zajednčkm emterom a) Razmotrmo prvo rad npn tranzstora sa u CE 0, koj je predstavljen slkom 8.6 a). Umjesto naponskog zvora, rad lakšeg razumjevanja, u spoju emter-baza uzmmo strujn zvor koj daje baznu struju (koja u ovom slučaju predstavlja parametar). Ovome odgovaraju zlazne karakterstke tranzstora sa zajednčkm emterom prkazane na slc 8.7. Za B =0 tranzstor je zakočen (u odrezu), na slc 8.7 predstavljen pravcem C =0. Vdljvo je da kako se povećava struja baze, takođe se povećava struja kolektora. Za u CE u BE npn tranzstor ulaz u drektnu aktvnu oblast, kolektorska struja je nezavsna od u CE jednaka ß F B. 20

Za u CE u BE npn tranzstor ulaz u oblast zasćenja napon zmeđu kolektorskog emterskog prključka tranzstora je mal. Ovm je završeno razmatranje prvog kvadranta karakterstka sa slke 8.7 b) Razmotrmo sada šta se dešava kada je u CE 0, na slc 8.7 kada su uloge kolektora emtera zamjenjene (nverzna polarzacja). Za 0 u CE u BE tranzstor se nalaz u zasćenju. Za u CE u BE tranzstor se nalaz u aktvnoj nverznoj oblast u kojoj je struja kroz tranzstor nezavsna od napona u CE. Sada je C ~-(ß R +1) B. Krve u nverznom aktvnom području se, rad preglednost občno crtaju za relatvno velk ß R (ß R =5), (koj je nače manj od 1). Slka 8.7. Radne oblast na zlaznm karakterstkama bpolarnog npn tranzstora u spoju sa zajednčkm emterom 21

Kada je u ptanju pnp tranzstor prkazan na slc 8.6 b) dobje se dentčan grafkon, kao na slc 8.7, samo se napon u CE zamjen sa naponom u EC. 8.4.2. Izlazne karakterstke za spoj sa zajednčkom bazom Kada se traže zlazne karakterstke za spoj sa zajednčkom bazom, tome korespondraju šematsk prkaz na slc 8.8 a) za npn tranzstor b) za pnp tranzstor. Slka 8.8 Krugov za snmanje zlazne karakterstke tranzstora u spoju sa zajednčkom bazom: a) npn tranzstor b) pnp tranzstor Rad lakšeg razumjevanja, smatraćemo da se ova karakterstka dobje ako je na spoj baza-emter, umjesto naponskog zvora, prključen zvor konstantne struje, pa se struja E određena strujnm zvorom uzma kao parametar. Ova karakterstka predstavlja zavsnost kolektorske struje C od napona u CB za npn tranzstor, odnosno od napona u BC za pnp tranzstor. a) Razmotrmo sada prv kvadrant karakterstka kada je u CB >0. Tada npn tranzstor rad u aktvnoj drektnoj oblast struja C ne zavs od napona u CB znamo da je ova struja C ~ E. b) U trećem kvadrantu karakterstka (nje prkazano na slc) kada je u CB <0 doda koja predstavlja spoj baza-kolektor postaje drektno polarzrana kolektorska struja raste eksponencjalno u negatvnom smjeru, kada spoj baza-kolektor počnje da vod. Na slc 8.8 prkazane su zlazne karakterstke u spoju sa zajednčkom bazom za npn tranzstor. Ove zlazne karakterstke su ste za pnp tranzstor kada se napon u CB zamjen sa naponom u BC. 22

Slka 8.8 Izlazne karakterstke npn tranzstora u spoju sa zajednčkom bazom 23