Electrica
Tranzistoare bipolare - structura si simbolul tranzistoarelor bipolare, marcarea tranzistoarelor bipolare, conexiunile tranzistorului bipolarTranzistoare bipolare 1.
Structura si simbolul tranzistoarelor bipolare Tranzistorul bipolar se obtine intr-un
monocristal de semiconductor,in care se creeaza,prin impurificare ,tri regiuni
alternativ dopate . La modul cel mai simplu, tranzistorul bipor poate fi privit ca doua diode semiconductoare legate in serie. In partea de jos avem o zona de semiconductor de tip n cu un contact metalic, care reprezinta Emitorul. Deasupra acesteia exista o zona semiconductoare foarte subtire de tip p, la care se conecteaza un electrod metalic, numit Baza. Apare astfel prima jonctiune p-n. A doua zona de tip n cu un contact metalic reprezinta Colectorul si, impreuna cu zona n a Bazei, formeaza a doua jonctiune p-n. Rezulta in final tranzistorul npn. Acest tranzistor bipolar are urmatoarele caracteristici constructive: 1 regiunea Bazei este foarte subtire si slab dopata; 2 regiunea Emitorului este puternic dopata; 3 Regiunea Colectorului este mare si de obicei este conectata la capsula metalica pentru disiparea usoara a caldurii Dupa cum se poate vedea jonctiunea Emitor-Baza este polarizata direct iar jonctiunea Colector-Baza este polarizata invers. Emitorul puternic dopat va emite spre regiunea Bazei purtatori majoritari, electronii care vor penetra adanc in Baza deoarece aceasta este foarte subtire si slab dopata. O mica parte din acesti electroni se vor recombina cu golurile majoritare din baza. Ceilalti electroni care au ajuns in Baza devin aici purtatori minoritari pentru jonctiunea Colector-Baza polarizata invers si ei vor fi antrenati spre Colector datorita tensiunii Ucc de valoare mare care polarizeaza invers jonctiunea Colectorului. Putem spune ca suprafata mare a Colectorului va “colecta” electronii care vin din Baza. Se poate observa ca are loc un transfer al electronilor majoritari din Emitor in Baza datorita polarizarii directe a jonctiunii p-n. Acesti electroni care vin din Emitor devin in Baza purtatori minoritari si sunt antrenati spre Colector datorita tensiunii inverse aplicate pe Colector. Astfel electronii minoritari din Baza sunt trasferati in Colector unde devin din nou purtatori majoritari asigurand asfel un curent mare de Colector. Acest efect se numeste efect de transistor (transfer resistor) de unde si denumirea de transistor. Doua diode montate in opozitie (de fapt transistorul este format din 3 regiuni n, p, n sau altfel spus din doua jonctiuno p-n)care in mod normal nu functioneaza in aceasta conexiune. Gratie efectului de transistor descris anterior functionarea transistorului bipolar devin posibila. Cel mai important aspect al functionarii transistorului bipolar este faptul ca printr-un curent mic de Baza putem controla un curent mare de colector. Putem folosi aici analogia cu robinetul care sa ajute mai mult la intelegerea fenomenului din transistorul bipolar. Apa potabila de la sistemul de canalizare din oras are un debit si o presiune de valori ridicate la fel cum valoarea curentului de Colector este mult mai mare decat curentul de Baza. Debitul prin robinet este controlat de o forta foarte mica, generata mecanic de mana noastra prin invartirea acestuia. La fel se petrece si in cazul transistorului bipolar unde printr-un curent mic de Baza putem controla un curent mare de colector. Din tot ceea ce am aratat pana acum rezulta ca tranzistorul se comporta ca un amplificator de curent cu factorul de amplificare directa in curent β care este definit in curent continuu ca raportul dintre curentul de Colector si curentul de Emitor. β=..De aici rezulta ca IC= β*IB Teoretic β ia valori cuprinse intre 19 si 499 dar practic el are valori cuprinse intre 50 si 200. Celalalt tip de transistor bipolar este cel de tipul pnp ca in figura de mai jos :
Tranzistoarele bipolare (TB) sunt dispozitive semiconductoare
alcatuite dintr-succesiune de trei regiuni realizate prin impurificarea
aceluiasi cristal semiconductor, regiunea centrala fiind mult mai
ingusta si de tip diferit fata de regiunile laterale.
Regiunea centrala este mult mai slab dotata cu impuritati decat
celelalte regiuni si se numeste baza (B). Una dintre regiunile
laterale, puternic dotata cu impuritati, se numeste emitor
©, iar cealalta, mai saraca in impuritati decat
emitorul, se numeste colector (C). Regiunile TB formeaza cele
doua jonctiuni ale acestuia. Structura si simbolul TB de tip : a) pnp ; b) npn Structurile din fig.1. ale celor doua tipuri de TB reprezinta modelele structurale unidimensionale ale acestora. Denumirile regiunilor extreme sunt corelate cu functiile lor. E este sursa de purtatori, care determina in general curentul prin tranzistor, iar C colecteaza purtatorii ajunsi aici. B are rolul de a controla (modifica) intensitatea curentului prin tranzistor in functie de tensiunea dintre B si E. Tranzistorul transfera curentul din circuitul de intrare de rezistenta mica in circuitul de iesire de rezistenta mare, de unde si denumirea de tranzistor (TRANSISTOR = TRANSFER RESISTOR). Ce doua jonctiuni ale tranzistorului
sunt : TB este un dispozitiv activ care are ca functie de baza pe cea de amplificare. Proprietatea de amplificare a TB se datoreste asa-numitului efect de tranzistor. Pentru TB se pot defini trei curenti si trei tensiuni, asa cum sunt prezentate in fig. Fig. Marimile la borne ale TB: a) pnp; b) npn Tensiunile sunt legate prin relatia: vCB = vCE
+ vEB, (1) iar curentii prin relatia: iE = iC
+ iB. (2)
Marcarea tranzistoarelor bipolare *BSX-indica un tranzistor cu
siliciu(litera B),de comutatie. Parametrii specifici tranzistorului
bipolar 4. Conexiunile tranzistorului bipolar
1.Intifica
terminalul (emitr,baza sau colector)la care se aplica semnalul de intrare. 3.Terminalul ramas este acel comun,care da si numele conexiunii. CONIUNI FUNDAMENTALE ALE TRANZISTORULUI BIPOLAr TB trebuie tratat ca un diport (cuadripol), dar
avand doar trei borne, una dintre ele va fi comuna circuitelor de intrare
si iesire. TB are trei noduri de conectare fundamentale :
Fig. 3. Conexiunile fundamentale ale TB: a) conexiunea BC; b) conexiunea EC; c) conexiunea CC 5. Regimurile de functionare ale tranzistoarelor Dupa felul polarizarii aplicate celor doua jonctiuni ale unui tranzistor, se pot deosebi patru regimuri de functionare: 1 regim activ normal: - jonctiunea emitorului polarizata direct; - jonctiunea colectorului polarizata invers; 2 regim de saturatie- jonctiunea emitorului polarizata direct; - jonctiunea colectorului polarizata direct; 3 regim de taiere - jonctiunea emitorului polarizata invers; - jonctiunea colectorului polarizata invers; 4 regim activ invers - jonctiunea emitorului polarizata invers; - jonctiunea colectorului polarizata direct; 1 Regim activ normal a fost prezentat pana acum. 2 Regim de saturatie. Ambele jonctiuni sunt polarizate direct. Pe tranzistor sursele sunt montate in opozitie, avand valori apropiate. Tensiunea rezultanta colector-emitor va fi:
Valoarea de saturatie este de valoare mica, aproximativ de 0,2 – 0,3 V. Curentul ce trece prin tranzistor are valori relativ mari, dar mai mici decat in cazul regimului activ normal; aceasta deoarece, prin jonctiunea colectorului, trec in sens contrar atat curentul de goluri al emitorului, cat si curentul de difuziune dat de golurile majoritare ale colectorului dirijate spre baza. Curentul rezultat, de saturatie este egal cu diferenta celor doi curenti. 1 Regimul de taiere (de blocare) se caracterizeaza prin faptul ca, ambele jonctiuni fiind polarizate invers, curentii care circula prin tranzistor sunt curenti reziduali de valoare mica. Cand tranzistorul se afla in acest regim, tensiunea la bornele sale este foarte mare, deci si rezistenta sa echivalenta este foarte mare. In acest regim el se comporta ca un comutator ce intrerupe circuitul, un comutator deschis. 2 Regim activ invers. In acest caz emitorul joaca rolul colectorului, iar colectorul pe cel al emitorului. Jonctiunea colectorului fiind polarizata direct, colectorul injecteaza goluri in baza iar emitorul, a carui jonctiune este polarizata invers, le colecteaza. In acest regim tranzistoarele sunt folosite forte rar, deoarece coeficientul de amplificare in curent este mai mic ca in regim activ normal. In adevar, tehnologic suprafata colectorului se face mai mare decat a emitorului, tocmai pentru a imbunatati procesul de captare. In situatia inversa, electrodul care capteaza (emitorul) are o suprafata mai mica decat cel ce injecteaza (colectorul), deci amplificarea in curent este mai scazuta. Se utilizeaza cateodata in regim de comuta.. 6. CARACTERISTICILE STATICE ALE TRANZISTORULUI BIPOLAR Pentru calcule practice ale circuitelor cu tranzistoare se utilizeaza caracteristicile statice ridicate experimental. Exista trei tipuri de caracteristici in TB: a. caracteristicile de intrare care coreleaza doua marimi de intrare, parametru fiind o marime de iesire; b. caracteristicile de transfer care coreleaza o marime de iesire cu una de intrare, ca parametru putand fi, in principiu, oricare alta marime; c. caracteristicile de iesire care coreleaza doua marimi de iesire, parametru fiind o marime de intrare. Intrucat caracteristicile statice depind de tipul schemei de conectare, in cele ce urmeaza le prezentam pe cele corespunzatoare conexiunii EC. Caracteristicile statice ale tranzistoarelor bipolare in conexiunea EC Vom considera cazul unui TB npn de mica putere. In schema EC, tensiunile au ca nivel de referinta potentialul emitorului. Ca marimi de intrare avem: VBE = –VEB si IB, iar ca marimi de iesire pe VCE si IC.
Fig. 4 Caracteristica statica de intrare IB = IB(VBE) cu VCE = ct. (conexiune EC) Examinand caracteristicile, observam ca daca plecam de la VBE = 0 si, marind valoarea acestei tensiuni, curentul IB este practic nul pana la o anumita valoare VBED = (VBE,on = Vα ) numita tensiune de deschidere sau de prag. In jurul acestei valori curentul creste exponential cu VBE, dupa care variatia acestuia poate fi considerata practic liniara. Se defineste rezistenta diferentiala de intrare a tranzistorului in montaj EC cu relatia: (32) Trebuie remarcat ca TB in montaj EC, datorita variatiilor mici al lui IB, poseda o rezistenta diferentiala de intrare de valoare mare (mii de Ω ), spre deosebire de cazul montajului BC, pentru care Rin,BC are o valoare foarte mica (zeci de Ω). b) Caracteristici de transfer Consideram caracteristica IC = IC(IB) pentru VCE = ct. (fig.5 ). Fig. 5 Caracteristica de transfer (conexiune EC) IC = IC(IB) pentru VCE = ct. In regiunea valorilor medii ale curentilor dependenta experimentala IC = IC(IB) este cvasiliniara, astfel incat in zona acestor curenti (33) poate fi considerat constant. Caracteristici de iesire In figura 6 este reprezentata familia caracteristicilor experimentale de iesire IC = IC(VCE) cu IB = ct., caracteristice pentru un tranzistor npn. Caracteristica IB = 0 nu este,de fapt, limita regiunii de taiere.Pentru a bloca tranzistorul este necesara blocarea jonctiunii emitorului. In acest caz, pentru TB IC este egal cu ICE0. Functionarea TB in regim de saturatie este intalnita frecvent in circuitele digitale, deoarece in aceasta regiune se asigura o tensiune de iesire bine specificata, care reprezinta o stare logica. In circuitele analogice se evita in mod uzual regiunea de saturatie, deoarece factorul de amplificare al TB este foarte mic. Fig. 6. Caracteristicile de iesire IC = IC(VCE) cu IB = ct. 7. Tensiuni tipice pe jonctiunile tranzistorului Consideram caracteristica de transfer IC = IC(VBE) pentru tranzistorul npn cu Ge, respectiv cu Si (fig. 7). Tabelul 1. Valori tipice ale tensiunilor pe jonctunile tranzistorului npn
Fig. 7. Valori tipice ale tensiunilor pe jonctunile tranzistorului npn (34) :unde Va este tensiunea de strapungere a jonctiunii colectorului. 8. POLARIZAREA TRANZISTORULUI INTR-UN PUNCT DAT DE FUNCTIONARE, IN REGIUNEA ACTIVA NORMALA Ca si in cazul tuburilor
electronice, circuitele de polarizare au rolul de a plasa functionarea
tranzistorului in PSF ales in cadrul regiunii permise de pe caracteristicile
statice ale TB. Consideram cazul TB in conexiune EC. Figura 8 a. dreapta IC = ICmax pentru a feri TB de distrugerea jonctiunilor; b. hiperbola de disipatie maxima corespunzatoare puterii maxime admisibile; c. dreapta VCE = VCemax pentru a nu aparea fenomenul de strapungere a TB; d. dreapta IC = ICmin pentru mentinerea jonctiunii emitorului polarizata direct si in prezenta semnalului; ICmin este situata in regiunea activa a caracteristicilor; e. dreapta VCE = VCemin = VC,sat; pentru ca tranzistorul sa nu intre in regim de saturatie este necesar ca VCE sa fie mai mare decat tensiunea corespunzatoare acestui regim. Mentinerea unei functionari liniare a TB este legata de fixarea PSF in regiunea liniara a caracteristicilor statice. PSF se fixeaza pe dreapta de sarcina astfel incat, in regim dinamic, in functie de amplitudinea semnalului care se aplica la intrare, tranzistorul sa nu intre nici in blocare nici in saturatie (fig. 9). Ecuatia dreptei de sarcina statica (pentru schemele din fig.10) este: VCC = IC(RC + RE) + VCE, (35) obtinuta daca se considera IC = IE. Fig. 9. Stabilirea PSF pentru TB In practica exista trei tipuri fundamentale de retele care asigura polarizarea TB (fig.10). Fig. 10. Circuite de polarizare pentru TB
ANEXA Fig. 10. Circuite de polarizare pentru TB
|