wydział informatyki, elektroniki i telekomunikacji katedra ...e+eit elementy elektroniczne 2018 r....

2018-05-08

1

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE

Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji

Katedra Elektroniki

dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, [email protected]

dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, [email protected]

TRANZYSTOR BIPOLARNY

E+EiT 2018 r. PD&IB 2

2018-05-08

2

TRANZYSTOR BIPOLARNY WSTĘP

E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 3

Czy wiesz, że……: …. do niedawna tranzystor bipolarny był najpowszechniej stosowanym elementem półprzewodnikowym, wypowiadając słowo „tranzystor” rozumiano, że chodzi o tranzystor bipolarny.

…. prąd płynący między dwiema końcówkami tranzystora bipolarnego jest regulowany przez stosunkowo niewielki prąd płynący przez trzecią końcówkę.

B

C

E

pnp

B

C

E

npn

…. w tranzystorze bipolarnym w przepływie prądu biorą udział zarówno elektrony jak i dziury.

TRANZYSTOR BIPOLARNY ZASADA DZIAŁANIA


Jak to było z diodą……?:

UD

ID

T T

Inne sposoby zwiększania prądu unoszenia ……???

dziury

Skąd wziąć dziury?

p n

RL

2018-05-08

3

p n

RC

p+

EC EE

RE

IE IC

IB

EMITTER BASE COLLECTOR

Wb



wstrzykiwanie

dziur

unoszenie

dziur

IC

UBC

IE

W dobrym tranzystorze pnp prawie wszystkie dziury wstrzykiwane z emitera do bazy są unoszone i zbierane w kolektorze.

Temu założeniu sprzyja spełnienie warunków wąskiej bazy (Wb << Lp) oraz

długiego czasu życia dziur τp.

p n

RC

p+

EC EE

RE

IE IC

IB

EMITTER BASE COLLECTOR

Wb



wstrzykiwanie

dziur

unoszenie

dziur

Na przepływ prądu bazy składają się:

1. Prąd elektronów rekombinujących z dziurami w bazie.

2. Prąd elektronów wstrzykiwanych do emitera mimo, że emiter jest silniej domieszkowany niż baza.

3. Niewielki prąd elektronów (powstających w wyniku generacji termicznej) wpływający do bazy od strony zaporowo spolaryzowanego złącza kolektorowego.

2018-05-08

4

TRANZYSTOR BIPOLARNY BILANS PRZEPŁYWU DZIUR I ELEKTRONÓW


p+ p n

iE

iC

iB

iEn

iEp

4

przepływ elektronów

3

za: „Przyrządy półprzewodnikowe”, Ben G. Streetman

1 wstrzykiwane dziury tracone na rekombinację w bazie

2 dziury osiągające złącze kolektora spolaryzowanego zaporowo

4 cieplna generacja elektronów i dziur tworzących prąd nasycenia złącza kolektora spolaryzowanego zaporowo

3 elektrony dostarczane przez kontakt bazy i rekombinujące z dziurami

5 elektrony wstrzyknięte do emitera poprzez złącze

1 2

przepływ dziur

5

TRANZYSTOR BIPOLARNY WSPÓŁCZYNNIKI WZMOCNIENIA PRĄDOWEGO


za: „Przyrządy półprzewodnikowe”, Ben G. Streetman

EpC Bii

Współczynnik transportu bazy (jaka część wstrzykniętych dziur dotarła za pośrednictwem bazy do kolektora)

EpEn

Ep

ii

i

Współczynnik sprawności wstrzykiwania emitera

Bii

Bi

i

i

EpEn

Ep

E

C

Wzmocnienie prądowe między emiterem a kolektorem

EpEnEp

EpEnEp

EpEn

Ep

B

C

iiiB

iiiB

iBi

Bi

i

i

/1

/

1

EpEnB iBii 1

11 B

B

i

i

B

C

t

p

elektrony, które zrekombinowały w bazie

p+ p n

iE

iC

iB

iEp

4

przepływ elektronów

3

1 2

przepływ dziur

5

2018-05-08

5

TRANZYSTOR BIPOLARNY WZMACNIACZ OE – OPIS JAKOŚCIOWY


Przykład:

10V

p

n

p+

iC

10

0kΩ

uBE

uCE 100V

5kΩ

iB

iE

C

E

B

sp 10

st 1,0

100t

p

B

C

i

i

mAk

VIB 1,0

100

10

mAII BC 10

ib[mA]

0.05 t

ic[mA] 5

t


TRANZYSTOR BIPOLARNY STRUKTURY TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH

B

C E

npn

n+ p n E C

B

B

C E

pnp

p+ n p E C

B

E – emiter B – baza C – kolektor

2018-05-08

6


TRANZYSTOR BIPOLARNY PASMOWY MODEL ENERGETYCZNY TRANZYSTORA

C

p

n+

E B

n

z polaryzacją

E B C

bez polaryzacji

qUEB

– qUCB

– elektron

TRANZYSTOR BIPOLARNY KONFIGURACJE PRACY TRANZYSTORA BIPOLARNEGO


B

C E OB

uWY uWE

B

C

E uWY uWE

OE

B

C

E

uWY uWE

OC

2018-05-08

7

TRANZYSTOR BIPOLARNY STANY PRACY TRANZYSTORA BIPOLARNEGO


B

C E

EEB ECB

aktywny normalny

B

C E

EEB ECB

odcięcia

B

C E

EEB ECB

aktywny inwersyjny

B

C E

EEB ECB

nasycenia

TRANZYSTOR BIPOLARNY MODEL EBERSA-MOLLA


B

C E

npn

uBE

E C

B uBC

iE iC

iB

iF iR

αRiR αFiF

11 TC

BC

TE

BE

Un

u

CS

Un

u

ESFC eIeIi

11 TC

BC

TE

BE

Un

u

CSR

Un

u

ESE eIeIi

2018-05-08

8


nE, nC – współczynniki nieidealności złącza emiterowego i kolektorowego

αR – stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w konfiguracji OB

przy aktywnej pracy inwersyjnej

IES – prąd rewersyjny nasycenia złącza emiterowego przy zwartym złączu kolektorowym

RF

CCS

II

1

0

ICS – prąd rewersyjny nasycenia złącza kolektorowego przy zwartym złączu emiterowym RF

EES

II

1

0

αF – stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w konfiguracji OB

przy aktywnej pracy normalnej

0CEFC III E

CCF

I

II 0



IS – transportowy prąd nasycenia

tożsamość Onsagera SCSRESF III

równania E-M uzależnione tylko od trzech parametrów

11 TC

BC

TE

BE

Un

u

R

SUn

u

SC eI

eIi

11 TC

BC

TE

BE

Un

u

S

Un

u

F

SE eIe

Ii


2018-05-08

9


Jeżeli zdefiniujemy przez iF prąd przewodzenia diody emiterowej przy pracy aktywnej

normalnej, oraz przez iR prąd diody kolektorowej dla aktywnej pracy inwersyjnej:

To otrzymamy równania E-M w postaci:

TE

BE

TE

BE

Un

u

ES

Un

u

ESF eIeIi 1

1TE

BC

Un

u

CSR eIi

RRFE iii

RFFC iii



B

C E

npn

uBE

E C

B uBC

iE iC

iB

iF iR

αRiR αFiF

Cjbe Cjbc

Cdbc Cdbe


2018-05-08

10

TRANZYSTOR BIPOLARNY CHARAKTERYSTYKI W KONFIGURACJI OE


Charakterystyki wejściowe

UBE

IB UCE1 UCE2

UCE1<UCE2

.constUBEB CEUfI

IC

UBE

UCE

IE

B IB

E E

C


Charakterystyki przejściowe

.constUBC CEIfI

IC

UBE

UCE

IE

B IB

E E

C

IB

IC

UCE1

UCE2

UCE1<UCE2


2018-05-08

11


Charakterystyki wyjściowe

.constICEC BUfI

UCE

IC

IB1

IB1<IB2 …

IB2

IB3

IB4


IC

UBE

UCE

IE

B IB

E E

C

E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny: wzmacniacz 22

Określanie punktu pracy Q

IC

UBE

UCE

IE

IB

uwe

RC

+UCC

RB

uwy

BEBBCC URIU

B

BECCB

R

UUI

CECCCC URIU

BC II

CCCCCE RIUU

TRANZYSTOR BIPOLARNY ANALIZA WZMACNIACZA W KONFIGURACJI OE

2018-05-08

12


IC

RB

uwy

RC

IE

IB

uwe

Wpływ wyboru punktu pracy na właściwości wzmacniające wzmacniacza

UCE

IC

UBE

IB

Q(UCE, IC) Q(IB, IC)

Q(IB, UBE)

-1/RC



IC

RB

uwy

RC

IE

IB

uwe

Punkt pracy zapewniający maksymalną dynamikę zmian napięcia wyjściowego

UCE

IC

Q(UCE, IC)

UBE

IB

Q(IB, IC)

Q(IB, UBE)

-1/RC


2018-05-08

13


IC

RB

uwy

RC

IE

IB

uwe

Przesterowanie wzmacniacza

UCE

IC

Q(UCE, IC)

UBE

IB

Q(IB, IC)

Q(IB, UBE)

-1/RC



IC

RB

uwy

RC

IE

IB

uwe

Punkt pracy skutkujący wchodzeniem wzmacniacza w obszar nasycenia

UCE

IC

Q(UCE, IC)

UBE

IB

Q(IB, IC)

Q(IB, UBE)

-1/RC


2018-05-08

14


IC

RB

uwy

RC

IE

IB

uwe

Punkt pracy skutkujący wchodzeniem wzmacniacza w obszar odcięcia

UCE

IC

Q(UCE, IC)

UBE

IB

Q(IB, IC)

Q(IB, UBE)

-1/RC



IC

RB

uwy

RC

IE

IB

uwe

Stany pracy tranzystora w polu charakterystyk wyjściowych

UCE

IC

Q(UCE, IC)

-1/RC

Pmax=ICUCE

obszar nasycenia

obszar odcięcia

obszar aktywny


wydział informatyki, elektroniki i telekomunikacji katedra ...e+eit elementy elektroniczne 2018 r....

Documents