Tranzistoare bipolare - structura si simbolul tranzistoarelor bipolare, marcarea tranzistoarelor bipolare, conexiunile tranzistorului bipolar

Tranzistoare 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 .
  Regiunile din exterior au acelasi tip de conductibilitate (ambele p sau ambele n)si se numesc emitor si colector,iar regiunea din mijloc are conductibilitate opusa,este mai ingusta,cu grad de impurificare mai scazut si se numeste baza.Cele trei regiuni formeaza doua jonctiuni p-n:o jonctiune baza-emitor sau(jonctiunea emitorului),iar cealalta,baza-colector sau(jonctiunea colectorului).Emitorul,cea mai dopata regiune,emite purtatori de sarcina electrica care sunt controlati de baza si ajung in colector,care este cea mai mare regiune.Datorita speciale ale bazei(mai ingusta si putin dopata),are loc efectul de tranistor,adica majoritatea purtatorilor de sarcina generati de emitor sunt colectati de colector.

Structura tranzistorului rezida in alcatuirea acestuia din punct de vedere constructiv iar simbolul este reprezentarea conventional a tranzistorului in schemele electrice ale circuitelor.Cercul in care este incadrat simbolul tranzistorului reprezinta capsula desi aceasta nu este intodeauna cilindrica.Tranzistoarele din circuitele integrate nu se reprezinta prin cerc,ci numai cele discrete.
 Emitorul este marcat prin sageata,care reprezinta sensul curentului de emitor.Daca sageata este directionata spre iesire tranzistorul este npn,iar daca sageata este directionata spre intrare este pnp.

  Exista circuite elecronice realizate cu-componente pasive
  -componente active Componente pasive
  Un element de circuite de curent continuu se numeste pasiv daca nu poate ceda energie elecrica in circuit oricare ar fii sensul curentului prin element(de regula un astfel de element absoarbe energie electrica). Rezistorul este un element pasiv de circuit(tranzistoare,bobine,condensatoare,etc).

  Componente active
  Un element de circuit se numeste activ daca poate genera energie de curent electric de natura elecrica in anumite regimuri de functionare. Sursele sunt elemente de circut active ca si tranzistoarele,diodele,tiristoarele.

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 I_C= β*I_B

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.
In figura 1 sunt reprezentate cele doua structuri ale TB si simbolurile acestora.

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 :
– jonctiunea de emitor sau : – emitor-baza (EB) pentru TB pnp ;
– baza-emitor (BE) pentru TB npn ;
– jonctiunea de colector sau : – colector-baza (CB) pentru TB pnp ;
– baza-colector (BC) pentru TB npn.

  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: v_CB = v_CE + v_EB, (1) iar curentii prin relatia: i_E = i_C + i_B. (2)
Pentru a obtine relatia (2), TB este asimilat cu un nod in care suma algebrica a curentilor este zero. Ca urmare a relatiilor (1) si (2), numai doua tensiuni si doi curenti sunt marimi independente. Alegerea marimilor electrice care descriu comportarea tranzistorului se poate face in moduri diferite. Criteriul este urmatorul: se considera tranzistorul ca un diport (un bloc cu doua borne ce formeaza poarta de intrare si alte doua borne ce formeaza poarta de iesire). Deoarece tranzistorul are doar trei borne (terminale), una dintre ele trebuie sa fie comuna intrarii si iesirii. Borna comuna defineste conexiunea tranzistorului.

REFERAT: Ce sa faceti inainte de inundatie? REFERAT: Executarea si receptionarea ancorajelor metalice tip inel-con si dorn

Marcarea tranzistoarelor bipolare
  Marcarea(inscriptionarea)se face in trei moduri principale:
  a. Primul mod de marcare:
Incepe cu litera A sau B.In aceasta categorie intra tranzistoarele din domeniul audio-video.Acestea se marcheaza cu doua litere si trei litere.Prima litera se refera la materialul din care este fabricat tranzistorul.
A-tranzistor cu germaniu(acum rar folosit),in general pnp
B-tranzistor cu siliciu,in general npn
  A doua litera reprezinta domeniul de utilizare a tranzistorului:
  C-tranzistor de putere mica de joasa frecventa
  D-tranzistor de putere mare de joasa frecventa
  F-tranzistor de putere mica de inalta frecventa
Cifrele identifica un tip particular de tranzistor,neexistand o logica universala valabila ptr alegerea lor.De exempul codul:
*BC-108 indica un tranzistor cu siliciu tip npn (literaB),de putere mica si joasa frecventa(literaC).
Uneori,la acest cod se mai adauga la sfarsit o litera ptr a indentifica o versiune speciala a tipului principal:factor de amplificare mai mare sau o capsula diferita.De exemplu:
  *BC 108 C-este un tranzistor BC 108 cu un factor de amplificare mai mare.Daca aplicatia practica specifica un astfel de de tranzistor ,el trebuie neaparat folosit,dar numai daca este dat codul general BC 108,orice tranzistor cu acest cod este potrivit.
 b.Al doilea mod de marcare incepe cu 2N
 Cand tehnologia pe siliciu a devenitdominanta,tranzistoarele au fost marcate altfel:cifra,litera,apoi patru cifre.Exemplu:
2N3055-cifra 2este simbolul ptr tranzistor asa cum ptr diode se foloseste cifra 1;litera N este simbolul ptr tranzistor.
  c. Al treilea mod de marcare
Printr-un cod din trei litere si doua cifre:Tranzistoarele din aceasta categorie sunt destinate aplicatiilor speciale.Nu exista un mod univesal valabil ptr cele trei litere. Utilizatorul trebuie sa caute in cataloagele fabricantului,ptr indentificarea tranzistorului pe care doreste sa il foloseasca. De exemplu:*TIP31-indica un tranzistor fabricat de Texas Instruments(literele TsiI) iar litera P se refera la la un tranzistor de putere.

*BSX-indica un tranzistor cu siliciu(litera B),de comutatie.

  3.

Parametrii specifici tranzistorului bipolar
Utilizarea tranzistoarelorbipolare in circuitele electronice nu se poate face fara cunoasterea parametrilor acestora.Unii parametri sunt date specifice  numeric ptr fiecare  tip de tranzistor,in cataloage de tranzistoare,editate de producatorii de componente electronice.Alti parametri se masoara in timpul polarizarii si functionarii tranzistoarelor in circuite. Parametrilor hibrizi  li se mai adauga urmatorii indici literari :E pentru conexiunea emitor comun,regim static (in curent continuu;);e pentru aceeasi conexiune,dar in regim dinamic (in curent alternativ);b ptr conexiunea baza comuna,in regim dinamic.Aceasta enumerare nu are pretentia de a fi exhaustiva,in functie de specificul tranzistoarelor,se mai noteaza si alti parametri.
  De exemplu,pentru tranzistoarele de inalta frecventa,se dau capacitatile parazite,pentru tranzistoarele folosite in comutatie,timpii de comutatie,pentru tranzistoarele de putere ,rezistentele termice etc.
Rezistentele termice ajuta la alegerea radiatoarelor optime.
 
Parametrii-limita
Foarte importanti pentru utilizarea tranzistoarelor sunt parametrii-limita.Acestia constituie valori maxim admisibile,a caror depasire  duce la distrugerea tranzistoarelor si devin criteri de alegere a dispozitivelor pentru aplicatii date.Ei sunt specificatiin cataloage pentru toti tranzistorii,fara exceptie,ceea ce subliniaza importanta lor.
Cei mai importani parametri-limita sunt:
  -Tjmax[C]-temperatura jonctiunii maxim admisibila;
-ICmax[A]-curentul de colector maxim admisibil;
-UCEmax[V]-tensiunea colector-emitor maxim admisibil;
-PDtot max[W]-puterea totala disipata.
Pentru orice tranzistor se poate trasa curba puterii puterii disipate,pe graficul caracteristicilor curentului de colector.

  4. Conexiunile tranzistorului bipolar

Conexiunile reprezinta modurii de legare sau connectare a unui tranzistor intr-un complex.Un tranzistor poate fi conectat in trei configuratii:emitor comun,baza comuna sau colector comun.
Termenul'comun'este folosit ptr a defini terminalul care este comun atat intrarii,cat si iesirii circuitului.Deoarece terminalul comun este adesea legat la masa,aceste configuratii sunt denumite in mod frecvent si:cu emitorul la masa,cu baza la masa sau cu colectorul la masa.Fiecare configuratie are caracteristici specifice,care o fac potrivita pentru aplicatii specifice.Un mod usor de a identifica o conexiune specifica tranzistorului este sa urmezi 3 pasi simpli astfel:

1.Intifica terminalul (emitr,baza sau colector)la care se aplica semnalul de intrare.
Identifica terminalul (emitor,baza sau colector)la care este cules semnalul de iesire.

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 :

– conexiunea BC (cu baza comunaa) (fig. 3, a) ;

– conexiunea EC (cu emitorul comun) (fig. 3, b) ;
– conexiunea CC (cu colectorul comun) (fig. 3,c)

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: V_BE = –V_EB si I_B, iar ca marimi de iesire pe V_CE si I_C.

a) Caracteristici de intrare
Consideram caracteristica I_B = I_B(V_BE) cu V_CE = ct. In figura sunt reprezentate caracteristicile de intrare tipice pentru un TB cu Si.

Fig. 4 Caracteristica statica de intrare

I_B = I_B(V_BE) cu V_CE = ct. (conexiune EC)

Examinand caracteristicile, observam ca daca plecam de la V_BE = 0 si, marind valoarea acestei tensiuni, curentul I_B este practic nul pana la o anumita valoare V_BED = (V_BE,on = Vα ) numita tensiune de deschidere sau de prag. In jurul acestei valori curentul creste exponential cu V_BE, 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 I_B, poseda o rezistenta diferentiala de intrare de valoare mare (mii de Ω ), spre deosebire de cazul montajului BC, pentru care R_in,BC are o valoare foarte mica (zeci de Ω).

b) Caracteristici de transfer

Consideram caracteristica I_C = I_C(I_B) pentru V_CE = ct. (fig.5  ).

Fig. 5 Caracteristica de transfer (conexiune EC) I_C = I_C(I_B) pentru V_CE = ct.

In regiunea valorilor medii ale curentilor dependenta experimentala I_C = I_C(I_B) 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 I_C = I_C(V_CE) cu I_B = ct., caracteristice pentru un tranzistor npn.

Caracteristica I_B = 0 nu este,de fapt, limita regiunii de taiere.Pentru a bloca tranzistorul este necesara blocarea jonctiunii emitorului. In acest caz, pentru TB I_C este egal cu I_CE0. 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 I_C = I_C(V_CE) cu I_B = ct.

  7. Tensiuni tipice pe jonctiunile tranzistorului

Consideram caracteristica de transfer I_C = I_C(V_BE) 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 V_a 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.
Punctul static de functionare (PSF) se gaseste la intersectia unei caracteristici I_C = I_C(V_CE) pentru o anumita valoare I_B cu dreapta de sarcina statica.
PSF al TB trebuie sa fie situat in regiunea permisa (fig. 8), delimitata de urmatoarele curbe:

Figura 8

a.   dreapta I_C = I_Cmax pentru a feri TB de distrugerea jonctiunilor;

b.   hiperbola de disipatie maxima corespunzatoare puterii maxime admisibile;

c.   dreapta V_CE = V_Cemax pentru a nu aparea fenomenul de strapungere a TB;

d.   dreapta I_C = I_Cmin pentru mentinerea jonctiunii emitorului polarizata direct si in prezenta semnalului; I_Cmin este situata in regiunea activa a caracteristicilor;

e.   dreapta V_CE = V_Cemin = V_C,sat; pentru ca tranzistorul sa nu intre in regim de saturatie este necesar ca V_CE 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: V_CC = I_C(R_C + R_E) + V_CE, (35) obtinuta daca se considera I_C = I_E.

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