Procesy zachodzące w jednym złączu oddziałują na drugie złącze. Nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony i dziury. Możliwe jest przy tym dwojakie uszeregowanie obszarowo różnym typie przewodnictwa: p-n-p (rys.6.17a) i n-p-n (rys.6.17b), dające dwa przeciwstawne typy tranzystorów.

Rys. 6.17. Model struktury i symbole graficzne tranzystorów bipolarnych

Zasada działania obu typów tranzystorów jest jednakowa, różnice występują tylko w polaryzacji zewnętrznych źródeł napięcia i kierunku przepływu prądu. W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika stykające się z elektrodami zewnętrznymi (zaciskami) są oznaczone: E - emiter, C - kolektor, B - baza.

Znaczną większość produkowanych tranzystorów stanowią tranzystory krzemowe wykonane metodą dyfuzji. Ich budowę pokazano na rys. 6.18.

Rys. 6.18. Budowa tranzystora bipolarnego epiksjalno-planarnego

Struktury półprzewodnikowe tranzystorów są umieszczane w hermetycznie zamkniętych obudowach metalowych, ceramicznych lub plastykowych. Obudowa ta nie tylko chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi, umożliwia ich montowanie w układach dyskretnych, ale również skutecznie odprowadza ciepło z elementu.

Działanie tranzystora bipolarnego zostanie omówione na przykładzie tranzystora n-p-n w stanie pracy aktywnej.

W stanie równowagi, bez polaryzacji (U_EB = 0 i U_CB = 0) jak na rys. 6.19a, przechodzenie elektronów z emitera i kolektora do bazy tranzystora i dziur z bazy do obu przylegających obszarów jest hamowane przez pole wytworzone przy obu złączach.

Rys. 6.19. Położenie barier potencjału w tranzystorze bipolarnym

Spolaryzowanie złącza emiterowego w kierunku przewodzenia przez przyłożenie napięcia ujemnego na emiter względem bazy, powoduje obniżenie bariery emiterowej (rys. 6.19b). Przez złącze emiter-baza płynie prąd dyfuzyjny, podobnie jak w diodzie. Wskutek obniżenia U_D w złączu zwiększa się liczba elektronów wprowadzanych do bazy i zmniejsza liczba dziur wprowadzanych do emitera. Nadmiarowe elektrony wprowadzane do wąskiej bazy poruszają się ruchem dyfuzyjnym do kolektora, przy jednorodnie domieszkowanym obszarze. Przy domieszkowaniu niejednorodnym obszaru bazy przepływ wstrzykniętych nośników jest przyspieszony działaniem pola elektrycznego, jakie pojawia się wtedy w obszarze bazy. Po drodze część tych elektronów rekombinuje z dziurami. Nadmiarowe dziury wprowadzane z obszaru bazy do emitera rekombinują z istniejącymi tam elektronami. Nie uczestniczą one w przepływie prądu kolektorowego i dlatego zmniejsza się ich liczbę przez odpowiednia konstrukcję tranzystora.

Złącze kolektor baza jest spolaryzowane w kierunku wstecznym (co odpowiada wyższemu potencjałowi kolektora niż bazy), wtedy pole elektryczne powoduje unoszenie nośników z obszaru bazy do obszaru kolektora. Wartość prądu kolektora może być regulowana przez zmianę bariery złącza emiterowego, czyli przez zmiany napięcia polaryzującego złącze emiter - baza.

Właściwości tranzystorów opisują rodziny charakterystyk statycznych oraz parametry dynamiczne. Charakterystyki statyczne : wyjściowe, wejściowe, przejściowe (prądowe) i sprzężenia przedstawiają związki między prądami emitera - I_E, bazy - I_B i kolektora - I_C oraz napięciami: baza-emiter U_BE, kolektor-emiter U_CE, kolektor-baza U_CB. Charakterystyki zostaną zdefiniowane dla tranzystora n-p-n w układzie połączeń WE, jak na rys. 6. 20, gdzie emiter - E jest wspólnym zaciskiem wejścia i wyjścia.

Rys. 6.20. Tranzystor bipolarny w układzie pracy WE

Zewnętrze źródła napięcia stałego E_B i E_C służą do polaryzacji dwóch złączy tranzystora: kolektor-baza (złącze kolektorowe) i emiter-baza (złącze emiterowe). Możliwe są cztery warianty polaryzacji, odpowiadające czterem różnym stanom pracy, przedstawionym w tabl. 6.1.

Tabela 6.1.

STAN PRACY	POLARYZACJA ZŁĄCZA EMITEROWEGO	POLARYZACJA ZŁĄCZA KOLEKTOROWEGO
Aktywny	w kierunku przewodzenia	w kierunku wstecznym
Nasycenia	w kierunku przewodzenia	w kierunku przewodzenia
Odcięcia (zatkania)	w kierunku wstecznym	w kierunku wstecznym
Inwersyjny	w kierunku wstecznym	w kierunku przewodzenia

W obwodzie wejściowym (baza-emiter) oprócz źródła E_B może znajdować się źródło sygnału, a w obwodzie wyjściowym (kolektor-emiter) obciążenie.

Między napięciami i prądami zachodzą następujące relacje:

Zależność (6.20) spełniona jest również dla małych przyrostów prądów

Rys. 6.21 Charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego w układzie WE

Na charakterystyka wyjściowych, pokazanych na rys. 6.21 można wskazać zakresy pracy wymienione w Tabl. 6.1. Najczęściej wykorzystuje się zakres aktywny, w którym złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia (U_BE > 0), a złącze kolektor-baza w kierunku wstecznym (U_CB > O). Tranzystor ma wtedy właściwości wzmacniające, które przejawiają się współczynnikami wzmocnienia prądowego wielkosygnałowego w układzie WE:

½ UCE=const

(6.22)

małosygnałowego w układzie WE:

½ D UCE® 0

(6.23)

Wartości b i b ₀ nie różnią się zbytnio od siebie i wynoszą od kilkunastu do kilkuset. Są one funkcjami prądu kolektora I_C i temperatury.

Podobne zależności obowiązują w stosunku do prądu kolektora I_C i prądu emitera I_E. Współczynnik

½ UCB=const

(6.23)

jest wielkosygnałowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego w układzie WB (wspólna baza), a

½ D UCB® 0

(6.24)

nosi nazwę małosygnałowego współczynnika wzmocnienia prądowego w układzie WB. Typowe wartości współczynnika a ₀ zawierają się w zakresie 0,900 ¸ 0,995. Między wzmocnieniami prądowymi w układzie WE i WB zachodzą związki

(6.25)

Należy zwrócić również uwagę, że w stanie aktywnym prąd kolektora I_C niewiele zależy od napięcia U_CE, w dużym zakresie jego zmian. Rezystancja wyjściowa, będąca współczynnikiem nachylenia charakterystyk wyjściowych w stanie aktywnym

½ IB=const

(6.26)

przyjmuje dużą wartość, wynoszącą dla tranzystorów małej mocy 10 kW ¸ 1 MW.

Zakres aktywny jest ograniczony od dołu tzw. odcięciem czyli stanem nieprzewodzenia, a z lewej strony nasyceniem. Te dwa stany tranzystora wykorzystuje się przy pracy przełącznikowej tranzystora, gdy pracuje jako klucz elektroniczny, czyli przełącznik.

W zakresie nasycenia oba złącza są spolaryzowane w kierunku przewodzenia (U_BE > 0, U_CB < 0). Złącze kolektor-baza zaczyna przewodzić, gdy napięcie kolektor-emiter osiągnie wartość napięcia nasycenia U_CE = U_CEsat, wynoszącą od 0,2 do pojedynczych woltów. Odpowiada to zwarciu na zaciskach kolektor-emiter. Rezystancja wyjściowa tranzystora w nasyceniu

(6.27)

jest bardzo mały i wynosi od ułamka do kilkudziesięciu omów.

W zakresie odcięcia obydwa złącza są spolaryzowane w kierunku wstecznym (U_BE < 0, U_CB > 0). Stan ten odpowiada rozwarciu na zaciskach kolektor-emiter. Prąd płynący jest bardzo mały. Granicę między zakresem aktywnym stanowi prąd zerowy I_CE0 = I_C½ _IB=0 .

Praktyczne wykorzystanie pola charakterystyk wyjściowych tranzystora jest ograniczone: dopuszczalnym napięciem kolektor-emiter U_CEmax, dopuszczalnym prądem kolektora I_Cmax oraz dopuszczalnymi stratami mocy P_Cmax.

Ponieważ złącze baza-emiter jest diodą, więc charakterystyka wejściowa tranzystora jest praktycznie identyczna z charakterystyką diody w kierunku przewodzenia. Charakterystyki wejściowe tranzystora w układzie WE pokazano na rys. 6.22.

Rys. 6.22. Charakterystyki wejściowe tranzystora w układzie WE

Wpływ napięcia U_CE jest niewielki. Na charakterystykach wejściowych wyróżnia się napięcie progowe (włączenia) poniżej którego prąd bazy I_B jest bardzo mały. Wartość napięcia progowego dla tranzystorów krzemowych wynosi U_T0 = 0,5 ¸ 0,8 V. Dla określenia stopnia obciążenia źródła sygnału prze tranzystor wprowadza się pojecie rezystancji wejściowej

½ UCE=const

(6.28)

Wynosi ona od kilkuset omów do kilkuset kiloomów.

Charakterystyki prądowe I_C = f(I_B) i charakterystyki sprzężenia zwrotnego U_BE = f(U_CE), pokazane na rys. 6.23., są wykorzystywane znacznie rzadziej niż omówione wyżej charakterystyki wyjściowe i wejściowe.

Rys. 6.23. Charakterystyki tranzystora w układzie WE: a) prądowe: b) sprzężenia zwrotnego

Warto zauważyć, że nachylenie charakterystyki prądowej określa współczynnik wzmocnienia prądowego b₀ w układzie WE.

Do parametrów dynamicznych tranzystorów bipolarnych należą parametry różniczkowe i parametry impulsowe.

Parametry różniczkowe są wielkościami opisującymi właściwości tranzystora przy małych sygnałach prądu zmiennego. Sygnały te występują najczęściej na tle sygnałów stałych o znacznych wartościach, polaryzujących w odpowiedni sposób elektrody tranzystora, tzn. ustalających punkt pracy na charakterystykach statycznych. Do parametrów różniczkowych należą omówione wyżej współczynniki wzmocnienia: a₀ i b₀ oraz rezystancje wyjściowa r_ce i wejściowa r_be. W zakresie małych częstotliwości parametry różniczkowe są wielkościami rzeczywistymi, a w zakresie wielkich częstotliwości są wielkościami zespolonymi, a ich moduły i argumenty zależą od częstotliwości.

Właściwości częstotliwościowe tranzystora bipolarnego charakteryzują:

• częstotliwość f_a, dla której ½ a₀½ zmniejszy się Ö 2 razy (o 3 dB) w stosunku do wartości przy małej częstotliwości
• częstotliwość f_b, dla której ½ b₀ ½ zmniejszy się Ö 2 razy (o 3 dB) w stosunku do wartości przy małej częstotliwości
• częstotliwość f_T, będąca iloczynem współczynnika wzmocnienia prądowego dla małej częstotliwości b₀ i częstotliwości granicznej f_b

Między wymienionymi częstotliwościami zachodzą relacje

przy czym zależność współczynnika wzmocnienia prądowego b₀ od częstotliwości ma postać

(6.31)

W analizie układów elektronicznych tranzystorowi bipolarnemu przyporządkowuje się schemat zastępczy. Jedną z prostszych postaci schematu jest tzw. postać hybryd p układu WE, słuszną w zakresie aktywnym dla małych sygnałów i częstotliwości, przedstawiono na rys. 6.24.

Rys. 6.24. Schemat zastępczy hybryd p układu WE tranzystora bipolarnego

Na schemacie tym, oprócz omówionych wcześniej parametrów, występuje dodatkowa rezystancja r_b'b. Jest to rezystancja obszaru bazy tranzystora między doprowadzeniem zewnętrznym B a bazą wewnętrzną B'. Wynosi ona od kilkunastu do kilkudziesięciu omów. W zakresie większych częstotliwości należy również uwzględnić pojemności złączy, które zostały zaznaczone liniami przerywanymi.

Parametry impulsowe opisują procesy przejściowe podczas przełączania miedzy stacjonarnymi stanami tranzystora, którymi są stan odcięcia i stan nasycenia. Przy przełączaniu tranzystora w układzie We impulsem zbliżonym do prostokątnego (rys.6.25a) otrzymuje się przebieg napięcia wyjściowego u_ce (rys.6.25b).

Rys. 6.25. Przebiegi napięcia wejściowego (a) i wyjściowego (b) przy przełączaniu tranzystora

Do parametrów impulsowych należą:

Czas opóźnienia i czas narastania tworzą w sumie czas włączania t_on tranzystora

Suma czasów magazynowania i opadania stanowi czas wyłączania t_off tranzystora

« poprzedni punkt

następny punkt »