Cap 3 Transistor Bipolar 2024 PDF

3. TRANZISTORUL BIPOLAR Tranzistorul bipolar este o structură cu două joncţiuni pn cuplate între ele. Tranzistorul se numeşte bipolar deoarece conducţia curentului este asigurată de cele două tipuri de purtători mobili de sarcină: electroni şi goluri. 3.1. Structură şi simbol T...

3. TRANZISTORUL BIPOLAR Tranzistorul bipolar este o structură cu două joncţiuni pn cuplate între ele. Tranzistorul se numeşte bipolar deoarece conducţia curentului este asigurată de cele două tipuri de purtători mobili de sarcină: electroni şi goluri. 3.1. Structură şi simbol Tranzistorul bipolar (TB) este obţinut tehnologic utilizând un suport semiconductor pe care se realizează două joncţiuni pn conectate în antiserie. Cele două joncţiuni se pot realiza în ordinea pn urmată de np, obţinându-se structura tranzistorului bipolar de tip pnp, sau în ordinea np urmată de pn, obţinându-se structura tranzistorului bipolar de tip npn. Structura şi simbolurile acestor tranzistoare sunt prezentate în fig.3.1.1 a) pentru tranzistorul npn şi fig. 3.1.1 b) pentru tranzistorul pnp. a) b) Fig. 3.1.1. Structura si simbolul tranzistorului bipolar Terminalele (electrozii) TB au următoarele denumiri: E-emitor, B-bază şi C-colector. Tranzistorul bipolar are două joncţiuni pn, anume joncţiunea BE şi joncţiunea BC. Sensul săgeţilor este acelaşi ca şi la diodă, anume de la p la n. Pentru sensurile tensiunilor şi curenţilor din fig. 3.1.1, relaţiile între curenţii care circulă prin TB şi tensiunile între electrozi sunt următoarele: - pentru tranzistorul npn: i E  iC  i B şi vCE  v BE  v BC - pentru tranzistorul pnp: i E  iC  i B şi v EC  v EB  vCB 1  Efectul de tranzistor se bazează pe cuplarea electrică a celor două joncţiuni BE şi BC, care trebuie să satisfacă două condiţii: — emitorul să fie puternic dopat (joncţiunea BE este de tipul n  p pentru un tranzistor npn); — baza să fie subţire în comparaţie cu lungimea de difuzie a electronilor din emitor pentru un tranzistor npn, astfel încât practic tot fluxul de electroni să ajungă în regiunea de sarcină spaţială a colectorului. Condiţia este similară pentru golurile din emitorul TB de tip pnp. Notă: Dacă baza este prea groasă efectul tranzistor dispare şi rămân două diode semiconductoare independente conectate în antiserie. 3.2. Ecuaţiile tranzistorului bipolar Funcţionarea tranzistorului bipolar la variaţii lente în timp sau în curent continuu este descrisă de ecuaţiile Ebers-Moll. Formal, pentru tranzistorul npn privit ca două joncţiuni pn, una BE şi cealaltă BC conectate în antiserie, cu sensurile tensiunilor şi curenţilor din fig. 3.1.1 a), se pot scrie direct ecuaţiile Ebers-Moll astfel: — curentul de colector iC este suma algebrică a curenţilor joncţiunii BC şi contribuţia la acest curent a joncţiunii BE, contribuţie pusă în evidenţă de coeficientul  F :  qvBE   qvBC   kT   kT  iC   F I ES  e  1  I CS  e  1 (3.2.1)         unde I CS este curentul de saturaţie al joncţiunii CB cu emitorul scurtcircuitat la bază, iar I ES este curentul de saturaţie al joncţiunii EB cu colectorul scurtcircuitat la bază. — curentul de emitor i E este suma algebrică a curenţilor joncţiunii BE şi contribuţia la acest curent a joncţiunii BC, contribuţie pusă în evidenţă de coeficientul  R : qvBE qvBC i E  I ES ( e kT  1 )   R I CS ( e kT  1 ) (3.2.2) De asemenea:  F I ES   R I CS (3.2.3) În relaţiile (3.2.1) şi (3.2.2): qv BE I ES ( e kT  1 ) – ecuaţia joncţiunii (curentul joncţiunii) BE; 2   qvBC   kT  I CS  e  1 – ecuaţia joncţiunii (curentul joncţiunii) BC      F – coeficient care indică procentul din curentul de emitor (curentul joncţiunii BE) datorat tensiunii v BE care se închide prin colector.  F se numeşte factor de amplificare direct de la emitor la colector  F  1 ;  R – coeficient care indică procentul din curentul de colector (curentul joncţiunii BC) datorat tensiunii v BC ce se închide prin emitor.  R se numeşte factor de amplificare invers de la colector spre emitor  R  1. Semnul minus din faţa curentului joncţiunii BC se datorează faptului că la această joncţiune curentul are sensul invers decât la joncţiunea pn. Pornind de la relaţiile (3.2.1) şi (3.2.2) se obţine:  qvBC   kT  iC   F iE  I CB0  e  1 (3.2.4)     unde I CB0 este curentul rezidual de colector cu emitorul în gol (curentul de saturaţie al joncţiunii colector-bază) şi are expresia: I CB0  1   F  R I CS (3.2.5) În mod analog:  qvBE   kT  i E   R iC  I EB0  e  1 (3.2.6)     unde I EB0 este curentul rezidual de emitor cu colectorul în gol (curent de saturaţie al joncţiunii BE) şi are expresia: I EB0  1   F  R I ES (3.2.7) În relaţia (3.2.4) se înlocuieşte i E  iC  i B şi se obţine:  qvBC  F 1  kT  iC  iB  I CB0  e  1 (3.2.8) 1 F 1 F     Se notează prin  F factorul de amplificare în curent de la bază la colector şi avem: F F  (3.2.9) 1F şi 3  1 F  1 (3.2.10) 1 F unde  F este factorul de amplificare în curent de la emitor la colector şi are valori tipice în gama (0.99; 0.998) pentru tranzistoare cu siliciu. Factorul de amplificare în curent de la bază la colector  F are valori tipice în gama (100; 400) pentru tranzistoare cu siliciu. Utilizând relaţiile (3.2.9) şi (3.2.10), relaţia (3.2.8) devine:  qvBC   kT  iC   F iB   F  1I CB0  e  1 (3.2.11)     Se notează I CE0 curentul rezidual de colector cu baza în gol, care are expresia: I CE0   F  1I CB0 (3.2.12) Ţinând cont de (3.2.12), relaţia (3.2.11) devine:  qvBC   kT  iC   F iB  I CE0  e  1 (3.2.13)     4  3.3. Regimuri de funcţionare Tranzistorul bipolar poate funcţiona atât în conexiune normală cât şi în conexiune inversă (se inversează C cu E). În fiecare dintre aceste conexiuni avem trei regimuri de funcţionare, anume: blocat, saturat şi regim activ (regiunea activă). În continuare se vor defini aceste regimuri pentru tranzistorul npn. 3.3.1. Regimul blocat În acest regim ambele joncţiuni sunt polarizate invers: v BE  0 şi v BC  0 Întrucât în mod curent sarcina se introduce în circuitul colector-emitor, posibilităţile de blocare în acest caz sunt: – baza în gol: i B  0 (fig. 3.3.1a) – baza scurtcircuitată la emitor: v BE  0 (fig. 3.3.1b) – baza conectată la emitor printr-o rezistenţă: (fig. 3.3.1c) – baza conectată la emitor printr-o sursa de tensiune (fig. 3.3.1d) a) b) c) d) Fig. 3.3.1. Moduri de blocare a tranzistorului bipolar. Atunci când tranzistorul are cuplată o rezistenţă între bază şi emitor, acesta este parcurs de un curent rezidual I CER mai mare decât I CES obţinut 5 pentru v BE  0 şi mai mic decât I CE0 obţinut pentru i B  0. Blocarea tranzistorului făcând scurtcircuit între bază şi emitor este greu de realizat în practică, iar blocarea lăsând baza în gol este dezavantajoasă. De aceea, dintre cele trei situaţii prezentate anterior, blocarea tranzistorului conectând o rezistenţă de dorit cât mai mică între bază şi emitor este cel mai uşor de realizat în practică şi, de aceea, este cel mai des utilizată. Cand joncţiunea bază–emitor polarizată invers curentul rezidual prin tranzistor este cel mai mic. Deci : I CEE  I CES  I CER  I CE0 (3.3.1) 3.3.2. Regimul de saturaţie Regimul de saturaţie normal şi inversat este definit de condiţiile: v BE  0 şi v BC  0 , ambele joncţiuni fiind polarizate direct. În ecuaţiile Ebers-Moll nu se pot face simplificări şi trebuie să luăm modelul complet. Cu condiţiile de mai sus şi v BE  kT / q ; v BC  kT / q , relaţia (3.2.1) devine: qvBE qvBC iC   F I ES e kT  I CS e kT (3.3.2) Conform relaţiei (3.3.2), curentul iC creşte exponenţial. Acesta este limitat de circuitul exterior. Cu notaţiile din fig.3.1.1, scrise pentru tensiuni continue, căderea de tensiune colector-emitor la saturaţie este VCEsat  VCB  V BE. Alegând ca valori tipice valorile: VCB  0 ,4V şi V BE  0 ,6V , rezultă valoarea tipică a tensiunii de saturaţie (0,2V). Din relaţia (3.2.13) rezultă iC   F i B , deci i B  iC /  F , relaţie care reprezintă condiţia de saturaţie pentru curentul de bază i B. În regim saturat invers, factorul de amplificare în curent în conexiune normală  F se înlocuieşte cu factorul de amplificare în conexiune inversă  R. 6  Aplicatie: Se consideră circuitul din fig. 3.3.2, realizat cu un tranzistor bipolar din siliciu, de tip npn , care funcţionează în regim saturat.. Fig. 3.3.2 Se dau: EC  15V ; E B  5V ; RL  1,5k , VBEsat  0 ,7V ; VBCsat  0 ,55V şi  F  200. Să se calculeze: a) căderea de tensiune colector–emitor la saturaţie, VCEsat ; b) curentul de colector I C ; c) valoarea rezistenţei RB pentru care curentul I B are o valoare de 10 ori mai mare decât valoarea corespunzătoare funcţionării în RAN. Rezolvare: a) Căderea de tensiune colector-emitor la saturaţie este: VCEsat  VBEsat  VBCsat Pentru VBCsat  0 ,55V şi VBEsat  0 ,7 V se obţine VCEsat  0 ,15V b) Pe circuitul din fig. 3.3.2 pentru tranzistor saturat, se poate scrie: EC  RL I C  VCEsat E  VCEsat IC  C RL Neglijând VCEsat (0,15V) faţă de EC (15V), curentul de colector este: I C  EC / RL , determinat de elementele exterioare tranzistorului. 7  15 IC   10mA 3 1,5  10 c) Valoarea curentului I B0 corespunzătoare funcţionării în RAN se obţine din relaţia : I C 10  10  3 I B0    0 ,05 mA F 200 Din relaţia (3.2.13) rezultă I C   F I B , deci I B  I C /  F , relaţie care reprezintă condiţia de saturaţie pentru curentul de bază I B. Valoarea lui I B conform enunţului este: I B 10 I B0 , adică I B  10  0 ,05 10  3  0 ,5mA. Această valoare satisface condiţia de saturaţie I B  I C /  F 0 ,5  10 / 200  0 ,05 mA. Pe circuitul de intrare, se scrie ecuaţia lui Kirchhoff pentru tensiuni: E B  RB I B  VBEsat E  VBEsat 5  0 ,7 RB  B   8 ,6 k  3 IB 0 ,5  10 3.3.3. Regiunea activă normală Regiunea activă normală (RAN) numită şi regim activ normal este definită de condiţiile: v BE  0 şi v BC  0. În aceste condiţii, ţinând cont că v BE  kT / q şi v BC  kT / q , relaţia (3.2.4) devine: iC   F i E  I CB0 (3.3.3) unde I CB0 dat de relaţia (3.2.5) este mic de ordinul nA pentru tranzistoarele cu siliciu şi se poate neglija, astfel că relaţia (3.3.3) devine: iC   F i E (3.3.4) Din relaţia (3.2.11), ţinând cont că v BC  0 avem: iC   F i B   F  1I CB0 (3.3.5) În relaţia (3.3.5), chiar dacă I CB0 este înmulţit cu  F  1, curentul rezidual rămâne mic şi se poate neglija pentru tranzistoarele cu siliciu. iC   F i B (3.3.6) 8  3.3.4. Regiunea activă inversă Regiunea activă inversă (RAI) este definită de condiţiile: v BE  0 şi v BC  0 Ţinând cont că v BE  kT / q şi v BC  kT / q şi punând aceste condiţii în ecuaţia (3.2.6), se obţine: i E   R iC (3.3.7) în care s-a neglijat curentul rezidual I EB0 dat de relaţia (3.2.7). ' şi Dacă notăm i E  iC iC  i'E , relaţia (3.3.7) devine: ' iC   R i'E (3.3.7) În relaţia (3.3.7), înlocuind i'E  i'B  iC ' , se obţine: ' R ' iC  ' i B , adică iC   R i'B (3.3.8) 1R unde  R şi  R   R /( 1   R ) sunt factorii de amplificare în curent similari lui  F , respectiv  F , dar pentru conexiune inversă. Aceştia satisfac relaţiile  R   F şi  R   F , care arată că tranzistorul are eficienţă mai mică în conexiune inversă decât în conexiune directă. Domeniul de valori tipice pentru factorul de amplificare  R este în gama (2; 6).  Regimuri de funcţionare – Tabel sintetic Regim de Joncțiune BE Joncțiune BC Obs. funcționare (VBE) (VBC) Blocat VBE0 IB>> IC/β RAN VBE>0 VBC