Bipolarni tranzistori

• polarizacija i režimi rada tranzistora • princip rada i pojačavačka svojstva tranzistora • statičke karakteristike i model tranzistora (za velike i male signale) • primer jednostepenog pojačavača sa bipolarnim tranzistorom

Primena tranzistora

• radio i televizijskih urađaja, elektronskih računara • elektronskih prekidača, kola impulsne tehnike • pojačavača, oscilatora, modulatora Bipolarni tranzistor se koristi kao osnovni pojačavački element u složenijim pojačavačkim kolima (operacioni pojačavači, pojačavači snage...) Tranzistori su ulogu osnovnog pojačavačkog elementa preuzeli od elektronskih cevi zbog svoje veličine, pouzdanosti i cene.

U literaturi si najčešće označava kao BJT (Bipolar Junction Transistor)

• Bipolarni tranzistori su poluprovodičke triode u kojima je sloj n-tipa poluprovodnika smešten između dva sloja p-tipa poluprovodnika (ili obrnuto p-tip između slojeva n-tipa). U prvom slučaju to je p-n-p tranzistor, a u drugom n-p-n.

emitor baza kolektor E P N P B C emitor baza kolektor E N P N B C

Radna područja tranzistora

Kod bipolarnih tranzistora svaki od spojeva se može direktno ili inverzno polarisati tako da postoje četiri posebne oblasit rada tranzistora: a) Ako su oba pn spoja inverzno polarisana tranzistor je

zakočen

(ne provodi struju) i ponaša se kao otvoreni prekidač b) Ako su oba spoja direktno polarisana tranzistor se nalazi u

oblasti zasićenja

i ponaša se kao zatvoren prekidač Ova dva područja se koriste u digitalnim logičkim kolima radi predstavljanja binarnih stanja c) d) Ako je spoj emitor-baza direktno, a spoj kolektor baza inverzno polarisan tranzistor radi u

direktnoj aktivnoj oblasti

i može obezbediti veliko pojačanje struje, napona ili snage Ukoliko je spoj emitor-baza polarizovan inverzno, a kolektor baza direktno, tranzistor radi u

inverznoj aktivnoj oblasti

. U ovoj oblasti je pojačanje slabo, tako da se retko koristi

E P B N

Rad tranzistora

E C P

I E

P B N C P

I C I B U U EE U CC U U 0 U 0 -U EE K U 0 +U CC

Spoj EB je direktno, a spoj BC inverzno polarisan

K

Polarizacijom se potencijalna berijera EB sužava, dok se potencijalna barijera BC širi Sužavanje EB barijere omogućava prelazak šupljina iz E u B koje se difuzno šire kroz bazu dok ne stignu do BC spoja. Na BC spoju električno polje ih ubrzava, tako da sve šupljine koje stignu do barijere pokupi kolektor.

I E

E P g

I E

 1 g

I E

B N 

I E

g

I E

rekombinacija C P

I C

Struja emitora se sastoji od šupljina koje prelaze u bazu i elektrona koji iz baze stižu u emitor

I B I C0

Deo šupljina se rekombinuje u bazi tranzistora, dok preostali deo formira kolektorsku struju. Bitno je napomenuti da je baza veoma uzana, uža od 10 μm, tako da se samo manji deo šupljina rekombinuje.

Odnos ovih struja zavisi od provodljivosti p odnosno n spoja. U komercijalnim tranzistorima je stepen dopiranja p sloja značajno veći od dopiranja n sloja čime se postiže da se praktično celokupna struja sastoji od struje šupljina Deo kolektorske struje čini i struja I C0 koja predstavlja inverznu struju zasićenja BC spoja

I C

  

I E



I C

0

koeficijent strujnog pojačanja



I B



I E



I C



α

nije konstanta već zavisi od

I E , U CB

i temperature  

dI C dI E

 0 , 9

U



CB



const

0 , 995 

Karakteristike tranzistora a) veza sa zajedničkom bazom

6

I E /mA

-20 -10 0 otvoreno E

U EB I E I B

B C

I C U CB

4 2

U CB

0,2 0,4 0,6 0,8

U EB /V

- ulazna (emitorska) karakteristika

- U CB

- parametar

I C /mA

-25 -20 -15 -10 -5 region zasi ćenja aktivni region -5 -10 -15 -20 -25 25 20

I E /mA

15 10 5

I C0 U CB /V

- izlazna (kolektorska) karakteristika

- I E

- parametar

b) Veza sa zajedničkim emitorom

C

I C I B I C U CE

P

I B

B

R B

N P

R C U CC U BE I E

U većini električnih kola tranzistor se koristi u obliku veze sa zajedničkim emitorom

U BB I E

E

I C I C

      1  

I E

 

I B I C

0   1

I



C

0    

I C



I B

 

I C

0

- β

- koeficijent strujnog pojačanja     

dI C dI B

1 1     1    1   Veoma mala promena parametra

α

uzrokuje veliku promenu parametra

β β

tipično ima vrednost 10-1000

-

I CE0

– struja zasićenja kolektora u kolu sa zajedničkim emitorom kada je baza slobodna 1

I



C

0    1    

I C

0 

I CE

0

I C

  

I B



I CE

0 100 80 60 40 20

I B /

μA

U CE

0V -1V -5

I C /

mA

I B

-4 -3 -2 -1 0,1 0,2

U BE /

V -5 -10 -15 -20 -25 -100 -80 -60 -40 -20μA

I CE0 U CE /

V - ulazna karakteristika

- U CE

- parametar - izlazna karakteristika

- I B

- parametar

Kolektorska struja u zavisnosti od napona BE kod npn tranzistora (struja

Ic

nije pravilno skalirana) Silicijum Otvorena baza Zasićenje Aktivni region

Definicije pojačanja tranzistora sa zajedinčkim emiterom

• Jednosmerno strujno pojačanje za velike signale  

I

B

I

C  

I

CB0 CB0  • Jednosmerno strujno pojačanje

h FE



I

C  

DC

 

I

B • Strujno pojačanje za male signale

h fe

 

I

C 

I

B

V CE

  '

Najvažnije karakteristike tranzistora

•

β

,

h

FE ,

h

fe – strujno pojačanje, prethodno definisano • Maksimalna kolektorska struja

Ic

(tipično 50 mA – 50 A) • • • Maksimalna snaga disipacije

P

D (tipično 200 mW – 250 W)

V CB0 -

probojni napon kolektor-baza (tipično 20-1500 V)

V CE0 -

probojni napon kolektor-emitor (tipično 20-800 V) •

V EB0 -

probojni napon emitor-baza (tipično 4-20 V) • Maksimalna bazna struja

I

B • Frekventna širina pojačanja (

f

T ) pretstavlja frekvenciju na kojoj pojačanje tranzistora padne na jedan. Obično se definiše u megahercima (tipično 1-5000 MHz) U većini primena može se smatrati da je

h

FE približno jednako sa

h

fe (razlikuju se do 20%)

c) Veza sa zajedničkim kolektorom

Razlika u odnosu na vezu sa zajedničkim kolektorom je u tome što se prijemnik (

R L

) vezuje između emitora i mase Veza sa zajedničkom bazom se najčešće koristi za pojačavanje napona, sa zajedničkim kolektorom za pojačavanje struje, dok veza sa zajedničkim emitorom pojačava i napon i struju.

Pojačavači sa zajedničkim emiterom se najčešće koriste jer zbog istovremenog pojačanja i napona i struje pojačavanje snage je najveće

Ebers-Molov model tranzistora (p-n-p) Ovaj model se koristi za velike signale.

I

E0 i

I

C0 predstavljaju inverzne struje zasićenja dioda (obe struje su negativne prema datim smerovima)

I C I E



I

  

N I E



I C

0   

I



I C N

 

I I E C

0 0  

e V C e V E I E

0

V T V T

  1 1   N označava da se tranzistor koristi u normalnom režimu i zato se definiše parametar

α

N . Međutim tranzistor se može koristiti i u inverznom radnom režimu i zato je neophodno definisati i parametar

α

I .

V E



V T

ln   1 

I E

 

I I C I E

0  

V C



V T

ln   1 

I C

 

N I E I C

0   V T – termički napon poluprovodnika (oko 26 mV na sobnoj temperaturi)

Model tranzistora za male signale – hibridni – pi model

Model koristimo da bi približno opisali rad uređaja sa nelinearnim karakteristikama preko linearnih jednačina.

U hibridnom-pi modelu naponi

U

be i U ce su nezavisne promenljive, dok struje

i

b i

i

c predstavljaju zavisne promenljive Aktivna oblast Oblast zasićenja

V

T - termički napon poluprovodnika

I

C ,

I

B

V

A – struje u radnoj tački tranzistora – Earlijev napon

Koncept radne prave i radne tačke

r C



R C R L



I C

 1 mA

i



V

CE 

C I C

 10  V 

V CE

10

r

k

C

20 k  6 , 7 k   1 mA  10 V / 6 , 7 k  2 , 5 mA

Klase pojačavača

Pojačavač u klasi A Pojačavač u klasi B Pojačavač u klasi AB

Pojačavač u klasi C – pojačava manje od 50% periode ulaznog signala Kod pojačavača u klasi D ulazni signal se konvertuje u niz pojačanih izlaznih impulsa. Ovi pojačavači se nazivaju i impulsni pojačavači Klasa D pojačavača je najefikasnija (80-95% efikasnosti). Kod klase A teoretski maksimum efikasnosti je 50%, klase B 78,5% (π/4), klase AB nešto ispod 78,5%, a kod klase C ispod 90% Postoje specifikacije i dodatnih klasa: E, F, G, H, T,... koje često definišu i pojedini proizvođači

Pojačavački stepen

-U cc R b2 R c C s C s R b1 R e C e

Diferencijalni pojačavač

Pojačava se razlika napona

U

1 i

U

2

U

C =

R

C2

I

C2 -

R

C1

I

C1