Τρανζίστορ διπολικής επαφής (BJT)

Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών & Πληροφορικής Μάθημα: Βασικά Ηλεκτρονικά Τρανζίστορ διπολικής επαφής (BJT) Εργασία του Βασίλη Σ. Βασιλόπουλου Χειμερινό Εξάμηνο 2017-18 Πηγή: F. Najmabadi, ECE65, Winter 2013 Sedra & Smith (6th Ed): Sec. 6.1-6.4 Sedra & Smith (5th Ed): Sec. 5.1-5.4

Το BJT αποτελείται από 3 περιοχές NPN τρανζίστορ Σχηματική παράσταση της δομής τύπου-n τύπου-p τύπου-n Μεταλλική επαφή Υλοποίηση σε ολοκληρωμένο κύκλωμα Εκπομπός (Ε) Περιοχή Εκπομπού Περιοχή Βάσης Περιοχή Συλλέκτη Συλλέκτης (C) Επαφή Εκπομπού-Βάσης (ΕΒJ) Βάση (Β) Επαφή Συλλέκτη-Βάσης (CBJ) Η δομή της διάταξης ΔΕΝ είναι συμμετρική Η δόμηση της διάταξης είναι τέτοια που το BJT ΔΕΝ λειτουργεί σαν δύο δίοδοι πλάτη με πλάτη όταν εφαρμόζεται τάση και στους τρεις ακροδέκτες. o Λεπτή περιοχή βάσης (μεταξύ E & C) o Ισχυρή νόθευση του εκπομπού o Μεγάλη επιφάνεια στο συλλέκτη

Οι i-υ χαρακτηριστικές εξισώσεις του BJT περιέχουν τέσσερις παραμέτρους NPN τρανζίστορ Έξι μεταβλητές στο κύκλωμα: (3i και 3υ) Οι δύο εκφράζονται με όρους των άλλων τεσσάρων: KCL : i E = i C + i B KVL : v BC = v BE v CE Οι i-υ χαρακτηριστικές εξισώσεις του BJT εκφράζουν τις σχέσεις μεταξύ των υ CE, υ ΒΕ, i C Σύμβολο κυκλώματος και συμβατικές φορές των ρευμάτων (Προσέξτε: v CE = v C v E ) και i B. Παράγονται σαν συναρτήσεις της μορφής: i B = f(υ BE ) i C = g(i B,υ CE )

Λειτουργία BJT στην ενεργό περιοχή Ορθή πόλωσης BE επαφής (v BE =V γ ) Ανάστροφη Πόλωση Από την ισχυρή νόθευση του εκπομπού συμβαίνει διάχυση μεγάλου αριθμού ηλεκτρονίων προς τη βάση (ενώ επανασύνδεση με οπές συμβαίνει μόνον σε ένα μικρό ποσοστό). Ενεργός περιοχή: v CE V γ ηλεκτρόνια επανασύνδεσης (ι Β2 ) Ο αριθμός αυτών των ηλεκτρονίων κλιμακώνεται εκθετικά σαν e v BE/V T Αφού το πλάτος της Βάσης είναι λεπτό αυτά τα ηλεκτρόνια πλησιάζουν στην περιοχή αραίωσης της BC επαφής και για v CB 0 περνάνε στο συλλέκτη ( v BC 0: ανάστροφη πόλωση BC επαφής). i C = I S e v BE/V T Έτσι το i C γίνεται ανεξάρτητο της v BC (και v CE ) όταν: v BC = v BE v CE = V γ v CE 0, v CE V γ Το ρεύμα βάσης είναι επίσης: ι Β ~e v BE/V T (οπότε από το i c ) το: i B = i c /β β = παράγοντας ενίσχυσης

Λειτουργία BJT στην περιοχή κορεσμού Παρόμοια με την ενεργό περιοχή, συμβαίνει διάχυση μεγάλου αριθμού ηλεκτρονίων προς τη Βάση. Ορθή πόλωσης BE επαφής (v BE =V γ ) Περιοχή ισχυρού κορεσμού: i B = I S β ev BE/V T i C < βi B v CE V sat Ανάστροφη Πόλωση ηλεκτρόνια επανασύνδεσης (ι Β2 ) Για v BC 0 η BC επαφή είναι ορθά πολωμένη και ένα ρεύμα διάχυσης θα εμφανιστεί, μειώνοντας το i c. 1. Ήπιος κορεσμός: v CE 0.3 V Si v BC 0.4 V Si το ρεύμα διάχυσης είναι μικρό και το i C είναι πολύ κοντά στην στάθμη της ενεργού περιοχής του. 2. Περιοχή ισχυρού κορεσμού: 0.1 V < v CE < 0.3 V(Si) ή v CE 0.2 V = V sat Si, Η στάθμη του i C είναι μικρότερη από ότι στην ενεργό περιοχή (i C < β i B ). o Ονομάζεται κορεσμός καθώς το i c τίθεται απο το εξωτερικό κύκλωμα και δεν επηρεάζεται από μεταβολές στο i B. 1. Κοντά στην αποκοπή: v CE 0.1 V Si Τα i C & i B προσεγγιστικά μηδέν * Το βιβλίο των Sedra & Smith την περιλαμβάνει στην ενεργό περιοχή, δηλ. για v CE 0.3 V το BJT θεωρείται στην ενεργό περιοχή.

Χαρακτηριστικές iv ενός BJT : i B = f v BE & i C = g(i B, v CE ) Κορεσμός: BE ορθά πολωμένη, BC ορθά πολωμένη 1. Ήπιος κορεσμός: 0.3 v CE 0.7, i C β i B 2. Ισχυρός κορεσμός: 0.1 v CE 0.3, i C < β i B 3. Κοντά στην αποκοπή: v CE 0.1, i C 0 Ενεργός*: BE ορθά πολωμένη BC ανάστροφα πολωμένη i C = βi B Αποκοπή: BE ανάστροφα πολωμένη i B = 0 & i C = 0. *Το διάγραμμα περιλαμβάνει το φαινόμενο Early (διαφάνεια 8).

Η συνάρτηση i C = g(i B, v CE ) του BJT είναι επιφάνεια* Χαρακτηριστικές iv ενός BJT Προβολή της επιφάνειας με τον άξονα i B να δείχνει κάθετα προς τα έξω *Η περιοχή κορεσμού προβάλλεται υπερβολικά στην 3D εικόνα για ευκρίνεια.

Το φαινόμενο Early τροποποιεί τις iv χαρακτηριστικές στην ενεργό περιοχή Το i C δεν είναι σταθερό στην ενεργό περιοχή περιοχή Κορεσμού Φαινόμενο Early: Οι ευθείες του i C ως προς v CE για διαφορετικά i B (ή v BE ) συμπίπτουν στο σημείο v CE = V A Ενεργός περιοχή i C = I S e v BE V T 1 + v CE V A

Εξισώσεις iv του NPN BJT Γραμμικό μοντέλο* Αποκοπή: BE ανάστροφα πολωμένη i B = 0, i c = 0 i B = 0, i c = 0 v BE < V γ Ενεργός: BE ορθά πολωμένη BC ανάστροφα πολωμένη i c = I S e v BE V T 1 + v CE V A Ισχυρός κορεσμός: i B = i c β = I S β ev BE V T v BE = V γ, i B 0 i c = βi B, v CE V γ BE ορθά πολωμένη i B = I S β ev BE V T v BE = V γ, i B 0 BC ορθά πολωμένη v CE V sat, v CE = V sat, i C < βi B Για πυρίτιο (Si), V γ = 0.7V, V sat = 0.2V * Το γραμμικό μοντέλο του BJT βασίζεται σε δίοδο σταθερής- τάσης για την ΒΕ επαφή και αγνοεί το φαινόμενο Early.

Το PNP τρανζίστορ είναι ανάλογο ενός NPN BJT Μεταλλική επαφή τύπου-p τύπου-n τύπου-p Περιοχή Εκπομπού Περιοχή Βάσης Περιοχή Συλλέκτη Γραμμικό μοντέλο Αποκοπή: EB ανάστροφα πολωμένη i B = 0, i c = 0 v EB < V γ Ενεργός: EB ορθά πολωμένη v EB = V γ, i B 0 CB ανάστροφα πολωμένη i c = βi B, v EC V γ Σε σύγκριση με το NPN: 1) Αντιστρέφονται οι φορές των ρευμάτων 2) Εναλλάσσεται η σειρά των δεικτών στις τάσεις Ισχυρός κορεσμός: EB ορθά πολωμένη v EB = V γ, i B 0 CB ορθά πολωμένη v EC = V sat, i C < βi B

Συμβολισμός Αντιστάτες: Χρήση ως δείκτη του αντίστοιχου ακροδέκτη στο BJT: R C, R B, R E. DC τάσεις: Χρήση διπλού δείκτη σε κάθε ακροδέκτη του BJT: V CC, V BB, V EE. Οι πηγές τάσης αναγνωρίζονται από την τάση σε κάθε κόμβο

Το τρανζίστορ λειτουργεί σαν μια βαλβίδα: τα i C & v CE ελέγχονται απο το i B Βρόχος ελεγκτή: Οι συνδέσεις στα BE θέτουν το i B Ελεγχόμενος βρόχος: τα i C & v CE τίθονται απο την κατάσταση του τρανζίστορ (και απο το εξωτερικό κύλωμα) Αποκοπή (i B = 0): Βαλβίδα Κλειστή i C = 0 Ενεργός (i B > 0): Βαλβίδα μερικώς ανοιχτή i C = βi B Κορεσμός (i B > 0): Βαλβίδα ανοιχτή i C < βi B το i C καθορίζεται απο το βρόχο σύνδεσης στους CE κόμβους, οπότε αυξάνοντας το i B δεν αυξάνει το i C.

Μέθοδος επίλυσης κυκλωμάτων με ένα BJT (Η κατάσταση του BJT είναι άγνωστη πριν την λύση του κυκλώματος) 1. Καταστρώστε τις εξισώσεις των 2 βρόχων: BE-KVL και CE-KVL 2. Υποθέστε ότι το BJT είναι OFF. Χρήση του BE-KVL για να γίνει διερεύνηση: a) BJT-OFF: Τότε το i C = 0, εφαρμόζοντας CE-KVL επιλύστε ως προς v CE. b) BJT-ON: Υπολογίστε το i B. 3. Υποθέστε ότι το BJT είναι στην ενεργό περιοχή. Τότε το i C = βi B. Εφαρμόζοντας CE-KVL επιλύστε ως προς v CE. Αν η v CE V γ, η υπόθεση σωστή, αλλιώς στην περιοχή κόρου: 4. Έστω το BJT στην περιοχή κόρου. Τότε η v CE = V sat. Εφαρμόζοντας CE-KVL επιλύστε ως προς το i C. (επαλήθευση αν ισχύει το i C < βi B ). ΣΗΜΕΙΩΣΗ: o Για κυκλώματα με R E, εφαρμόζετε ταυτόχρονη επίλυση των BE-KVL και CE-KVL.

Παράδειγμα 1: Υπολογίστε τις παραμέτρους του τρανζίστορ (Si-BJT με V γ = 0.7 V, β = 100) BE-KVL: 4 = 40 10 3 i B + v BE CE-KVL: 12 = 10 3 i C + v CE Έστω σε Αποκοπή: i B = 0 και v BE < V γ = 0.7 V BE-KVL: 4 = 40 10 3 0 + v BE v BE = 4 V v BE = 4 V > V γ = 0.7 V Υπόθεση ψευδής. BE-ON (Ορθή πόλωση): v BE = V γ = 0.7 V και i B 0 BE-KVL: 4 = 40 10 3 i B + 0.7 i B = 82.5 μα > 0 Έστω ότι το BJT στην ενεργό περιοχή: i C = βi B και v CE V γ = 0.7 V i C = βi B = 100 8.25 10 6 = 8.25 ma CE-KVL: 12 = 10 3 8.25 10 3 + v CE v CE = 3.75 V v CE = 3.75 V > V γ = 0.7 V Υπόθεση αληθής (αν η υπόθεση ήταν ψευδής έπρεπε να εξεταστεί και η περίπτωση το BJT να είναι στην περιοχή κόρου)

Η συνάρτηση μεταφοράς ενός BJT (1) BE-KVL: v i = R B i B + v BE CE-KVL: V CC = R C i C + v CE Αποκοπή : i B = 0 και v BE < V γ BE-KVL: v i = R B 0 + v BE v BE = v i i C = 0 CE-KVL: V CC = R C 0 + v CE v CE = V CC Για v i < V γ BJT στην αποκοπή i B = 0, i C = 0, v CE = V CC BE ορθά πολωμένη : v BE = V γ και i B 0 BE-KVL: v i = R B i B +v BE i B = v i V γ R B i B 0 v i V γ

Η συνάρτηση μεταφοράς ενός BJT (2) BE ΟΝ (ορθά πολωμένη): v BE = V γ και i B = v i V γ R B (1) CE-KVL: V CC = R C i C + v CE Ενεργός: i C = βi B και v CE V γ, από την (1) το i C = β v i V γ R B CE-KVL: V CC = R C i C + v CE v CE = V CC R C i C (2) v CE V γ απο την 2 η v i V γ + V CC V γ β R C R B Για V γ v i V γ + V CC V γ BJT στην ενεργό περιοχή βr C R B

Η συνάρτηση μεταφοράς ενός BJT (3) BE ΟΝ (ορθά πολωμένη): v BE = V γ και i B = v i V γ R B CE-KVL: V CC = R C i C + v CE Κορεσμός: v CE = V sat και i C < βi B CE-KVL: V CC = R C i C + v sat i C = V CC V sat R C i C < βi B v i > V IH = V γ + V CC V sat β R C R B Για V γ + V CC V sat βr C R B < v i BJT σε κορεσμό

Η συνάρτηση μεταφοράς ενός BJT (4) v i < V γ BJT στην αποκοπή V γ v i V γ + V CC V γ βr C R B BJT στην ενεργό περιοχή V γ + V CC V sat βr C R B < v i BJT σε ισχυρό κορεσμό αποκοπή ενεργός Κορεσμός αποκοπή ενεργός κορεσμός

Η συνάρτηση μεταφοράς ενός BJT στην γραμμή φορτίου Κορεσμός : V IH < v i Το i B αυξάνει αλλά το i C αμετάβλητο Γραμμή Φορτίου(CE-KVL) i C = V CE R C + V CC R C Αποκοπή Ενεργός κορεσμός Ενεργός: V γ v i V IH Τα i B &i C αυξάνουν ταυτόχρονα Αποκοπή: v i < V γ Απόκοπή Ενεργός κορεσμός

Το BJT σαν διακόπτης Αποκοπή Ενεργός κορεσμός Το φορτίο τοποθετείται στο βρόχο συλλέκτη Χρήση: Σαν λογική πύλη θέτει το φορτίο ON (BJT σε κορεσμό) ή OFF (BJT σε αποκοπή) Το i C καθορίζεται αποκλειστικά απο το CE κύκλωμα (καθώς η v CE = V sat ) Η R B επιλέγεται ώστε το BJT να βρίσκεται σε ισχυρό κορεσμό με ευρύ περιθώριο (π.χ., i B = 0.2 i C β)

Το BJT σαν Λογική Πύλη Resistor-Transistor Logic (RTL) RTL NOT Πύλη(V Low = V sat, V High = V CC ) RTL NOR Πύλη RTL NAND Πύλη Αποκοπή Ενεργός κορεσμός Άλλες Επιλογές: Diode-Transistor logic (DTL) και Transistor-Transistor logic (TTL) Λογικές πύλες από BJT δεν χρησιμοποιούνται πλέον, με εξαίρεση τα λογικά κυκλώματα υψηλής-ταχύτητας σύζευξης εκπομπών, επειδή εμφανίζουν: o Χαμηλή ταχύτητα (η μετάβαση στον κορεσμό είναι αρκετά αργή) o Απαιτούν πολύ χώρο και ισχύ στα ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Το κέρδος β στα BJΤ μεταβάλλεται σημαντικά Το μοντέλο του BJT έχει 3 παραμέτρους : V γ, V sat και β o Οι V γ και V sat εξαρτώνται κατά βάση από τον ημιαγωγό: o Για το Si, V γ =0.7 V, V sat =0.2 V Το κέρδος β εξαρτάται απο πολλούς παράγοντες: o Ισχυρή εξάρτηση από την θερμοκρασία (9% αύξηση για κάθε 1 ). o Εξαρτάται απο το i C (που δεν είναι σταθερό όπως υποθέτουμε στο μοντέλο) o Το β σε πανομοιότυπα BJT, της ίδιας παρτίδας κατασκευής, μπορεί να διαφέρει (συνήθως τα τεχνικά φυλλάδια δίνουν ένα εύρος και μια μέση τιμή για το β). o Στους υπολογισμούς χρησιμοποιείται η μέση τιμή του β o Το ελάχιστο β min αποτελεί σημαντική παράμετρο. Για παράδειγμα, η κατάσταση ισχυρού κορεσμού διασφαλίζεται για όλα τα παρόμοια BJT, θέτοντας: i C i B < β min