Elektronika | Felsőoktatás » Rencz Márta - A bipoláris tranzisztor II

A bipoláris tranzisztor/2 Rencz Márta Elektronikus Eszközök Tanszék Mai témák •A bipoláris tranzisztor •felépítése, áramai •A tranzisztor üzemállapotai •Az Ebers - Moll modell •Az ideális tranzisztor karakterisztikái •A valóságos tranzisztor karakterisztikái •Másodlagos hatások 3/16/2003 2/36 A “belső tranzisztor” és a paraziták “Belső”: ahol a 3 réteg (n,p,n) szemben áll egymással 3/16/2003 3/36 A bipoláris tranzisztor áramai Normál aktív beállítás: EB átmenet nyitva, CB zárva I C = − A ⋅ I E − I CB 0 3/16/2003 A = áramerősítés (közös bázisú, egyenáramú, normál 4/36 irányú) Az áramerősítés folyamata. • Cél, hogy az emitter árama megjelenjen a kollektorban, azaz hogy az emitterből jövő többségi töltéshordozók minél nagyobb számban érjék el a kollektort. • A veszteségek forrásai: • Az emitter áram egy része nem a kollektor felé folyik. A nyitott átmenet

lyukárama a bázisból az emitter felé irányul. (IE = IEn + IEp) , ebből csak az elektronáram indul el a kollektor felé • A bázisba érkező elektronáram egy része rekombinálódik a bázisban ill. a kiürített rétegekben, azaz nem éri el a kollektort. (IBr ) 3/16/2003 5/36 A bipoláris tranzisztor áramai I C = − A ⋅ I E − I CB 0 Injektálási v. emitter hatásfok: I En ηe = IE Transzport hatásfok: I Cn ηtr = I En 3/16/2003 A = ηe ⋅ηtr 6/36 A tranzisztor működés feltételei 1. Legalább az egyik szélső réteg (az emitter) nagyságrendekkel erősebben adalékolt, mint a középső. 2. A középső réteg (bázis) sokkal vékonyabb, mint a kisebbségi hordozók diffúziós hosszúsága. 3/16/2003 7/36 A tranzisztor üzemállapotai. Normál-aktív Inverz-aktív Telítéses Lezárt EB átmenet CB átmenet nyitott zárt nyitott zárt zárt nyitott nyitott zárt Az egyes üzemállapotokban a tranzisztor bázisrétegében

különböző a kisebbségi töltéshordozók eloszlása. 3/16/2003 8/36 A tranzisztor üzemállapotai Normál aktív Az áramok az eloszlás gradiensével arányosak legnagyobb áram a normál aktív üzemállapotban várható Telítés Inverz aktív Lezárás telítés esetén van a bázisban a legtöbb kisebbségi töltéshordozó ebben a tartományban lesz a leglassúbb a tranzisztor működése 3/16/2003 9/36 lehetőleg el kell kerülni! A nagyjelű működés leirására általánosan használható modell: az Ebers-Moll modell • Teljesen szimmetrikus, a tranzisztor működését minden üzemállapotban leírja. • A szimmetria hangsúlyozására szimmetrikus áramirányokat tekintünk. 3/16/2003 10/36 Az Ebers - Moll modell Helyettesítés a normál aktív beállításban: I de = I ES (exp(U BE / U T ) − 1) 3/16/2003 11/36 Az Ebers - Moll modell Helyettesítés az inverz aktív beállításban: I dc = I CS (exp(U BC / U T ) − 1) 3/16/2003

12/36 Az Ebers - Moll modell Telítéses üzemben a két modellt szuperponáljuk: 3/16/2003 13/36 Az Ebers - Moll egyenletek ) I de = I ES (exp(U BE / U T ) −I 1ES I CS IE = AI = AN I dc = I CS (exp(U BC / U T ) − 1) I ES (exp(U BE / U T ) − 1) − AI I CS (exp(U BC / U T ) − 1) I C = − AN I ES (exp(U BE / U T ) − 1) + I CS (exp(U BC / U T ) − 1) 3/16/2003 14/36 Az Ebers - Moll egyenletek IE = I ES (exp(U BE / U T ) − 1) − AI I CS (exp(U BC / U T ) − 1) I C = − AN I ES (exp(U BE / U T ) − 1) + I CS (exp(U BC / U T ) − 1) I E   1  I  = − A 3/16/2003  C  N − AI   I ES (exp(U BE / U T ) − 1) ⋅   1   I CS (exp(U BC / U T ) − 1) 15/36 Az Ebers-Moll modell • időfüggő vizsgálatokra is alkalmas • minden üzemállapot leírására alkalmas • számítógépes szimulációhoz és kézi számításokhoz egyaránt alkalmas • a bipoláris tranzisztor leggyakrabban

használt modellje • Annyira pontos, amennyire a benne használt pn – átmenet modell 3/16/2003 16/36 Az ideális tranzisztor karakterisztikái Közös (földelt) bázisú alapkapcsolás (FB) 3/16/2003 17/36 Az ideális tranzisztor karakterisztikái Közös bázisú alapkapcsolás 3/16/2003 18/36 Az ideális tranzisztor karakterisztikái Közös emitteres alapkapcsolás 3/16/2003 19/36 Az ideális tranzisztor karakterisztikái Közös emitteres alapkapcsolás I C = − AN I E − I CB 0 I C = − AN ( I B − I C ) − I CB 0 AN I CB 0 IC = − IB − 1 − AN 1 − AN I C = − BN I B − I CE 0 I E + IC − I B = 0 AN BN = 1 − AN B : közös emitteres, nagyjelű áramerősitési tényező I CE 0 = I CB 0 120/36 − AN 3/16/2003 Az ideális tranzisztor karakterisztikái Közös emitteres alapkapcsolás 3/16/2003 21/36 Az ideális tranzisztor karakterisztikái IE = I ES (exp(U BE / U T ) − 1) − AI I CS (exp(U BC / U T ) − 1) I C = −

AN I ES (exp(U BE / U T ) − 1) + I CS (exp(U BC / U T ) − 1) X UCE A telítés határa: UBC = 0 UBE = UCE 3/16/2003 UCESo:telitési maradékfeszültség22/36 A valóságos tranzisztor karakterisztikái Másodlagos hatások: • Soros ellenállások • Parazita CB dióda • Early hatás • Áramkiszorítás • Az áramerősítés munkapontfüggése 3/16/2003 23/36 A valóságos tranzisztor karakterisztikái A soros ellenállások hatása - a bázis kivezetés A B’ “belső bázispont” - ésszerű közelítés 3/16/2003 24/36 A valóságos tranzisztor karakterisztikái A soros ellenállások hatása: - a kollektor kivezetés 3/16/2003 25/36 A CB parazita dióda hatása Ha CB átmenet nyitva van, a parazita átmenettel szemben nincs emitter, így az inverz áramerősítési tényező lecsökken 3/16/2003 B E 26/36 A valóságos tranzisztor karakterisztikái Early hatás: a visszahatás mechanizmusa A kiürített rétegek szélessége

feszültségfüggő Ha az effektív báziszélesség csökken megnövekszik a transzport és az emitter hatásfok. Elektroneloszlás a bázisban n~exp(UBE/UT) dn I~ dx 3/16/2003 FB A=0.99 => B=99 A=0.991 => B=110 x =0 FE 27/36 A valóságos tranzisztor karakterisztikái Az Early hatás n~exp(UBE/UT) dn I~ dx x =0 QB – állandó Növekvő UCE feszültség esetén tehát növekszik az IC áram és kismértékben az UBE feszültség (visszahatás!) 3/16/2003 28/36 A valóságos tranzisztor karakterisztikái Az Early hatás 3/16/2003 29/36 A valóságos tranzisztor karakterisztikái Az Early feszültség dU CE U E rki = ≅ dI C IC 3/16/2003 30/36 Példa: Az Early hatás Mekkora a földelt emitteres kimeneti ellenállása a tranzisztornak, ha az Early feszültség 80 V és a munkaponti kollektoráram 5 mA? UE rki = IC 3/16/2003 80 V rki = = 16 kΩ 5 mA 31/36 Az áram kiszorítás ∆UBE Imax/Imin 1 mV 1,04 10 mV 1,47 50 mV 6,84 Segít:

•több báziskivezetés •nagy kerületű E 3/16/2003 32/36 Az áramerősítés munkapont függése Áram függés: Kis áramoknál megnövekszik a pn átmenet áramában a rekombinációs áram, ez lerontja az injektálási hatásfokot Nagy munkaponti áramoknál megnövekszik a lyukáram komponens 3/16/2003 33/36 Az erősítés folyamata FB alapkapcsolásban rd = U T 26 mV = = 2,6Ω I E 10 mA uki 2000 Au = ≅ = 200 10 ube 3/16/2003 ube = i ⋅ rd = 4 mA ⋅ 2,6 Ω = 10,4 mV 34/36 uki = i ⋅ Rt = 4 mA ⋅ 500 Ω = 2000mV A BJT kisjelű helyettesítőképei A kisjelű paraméterek, a kisjelű változók iB,iC,uBE,uCE közötti kapcsolatokat adják meg, pl. erősítő alkalmazásokhoz •Fizikai helyettesítőkép: az eszköz működés fizikájából indul ki, a jelenségek hatását néhány lineáris elemmel veszi figyelembe •“Fekete doboz” helyettesítőkép: méréssel könnyen meghatározható 3/16/2003 35/36 Kisjelű fizikai

helyettesítőképek Kételemes • IE arányosan vezérli IC-t • véges bemeneti ellenállás FB 3/16/2003 36/36 Kisjelű fizikai helyettesítőképek Kételemes, FB ic ∂I C =− α =− ∂I E ie dAN α = AN + I E dI E − ueb = reie − ic = α ie 3/16/2003 dU BE U T re = = dI E IE α: Kisjelű közös básisú áramerősítési tényező 37/36 Kisjelű fizikai helyettesítőképek Kételemes, FE − ueb = reie − ic = α ie FE ib = ie + ic ube = re ( β + 1) ib − ic = β ib β: Kisjelű, közös emitteres áramerősítési tényező − ic = α (ib − ic ) ic ∂I C =− β =− ∂I B ib α ib − ic = 1−α α β = 38/36 1−α Kisjelű fizikai helyettesítőképek gm= Meredekség Kételemes − ueb = reie − ic = α ie ueb ic = α re ic = g mueb 3/16/2003 FB ic ∂I C gm = = ∂U EB ueb IC IE 1 gm = α = α ≅ re UT UT FE 39/36 Kisjelű fizikai helyettesítőképek Early Giacoletto FB Ötelemes FE Figyelembe veszik a

másodlagos hatásokat Leginkább számítógépes szimulációhoz 3/16/2003 40/36