-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 1
7
Tranzistor (transfer resistor prijenosnik otpora)
Prvi tranzistor: prosinac 1947. Barden, Brattain i Shockley(Bell
Labs) Rezultati objavljeni u ljeto 1948.
BJT Bipolar JunctionTransistor
Slika: Model prvog tranzistora
Bipolarni tranzistori
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 2
SADANJI IZGLED BIPOLARNOG TRANZISTORA stanje tehnike
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 3
9
; ; ; ,
2
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 4
8
Osnovna ideja:naponom i strujom (tipino velikim) u izlaznom
elektrinom krugu upravlja se pomou struje (male) iz drugog,
ulaznog, kruga BJT je strujno upravljan element
Aktivni poluvodiki elementi (zahtijevaju napajanje za normalan
rad)
U pravilu imaju tri elektrode
Za razliku od unipolarnih tranzistora, za operaciju bipolarnih
tranzistora kljuni su veinski, no i manjinski nositelji naboja.
Dakle, bitna su oba polariteta nositelja naboja, pa onda i ime:
bipolarni tranzistori.
Koriste se kao pojaala i elektronike sklopke.
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 5
9
P P PN N NE C
B B
E C
E C
B
E C
B
a) b)
Tri elektrode koje tranzistor ima su: E emiter (emitira
nositelje naboja), C-kolektor (sakuplja nositelje naboja), B baza
(upravlja protokom iz emitera u kolektor).
a) P-N-P b) N-P-NShematski prikaz i simbol BJT tipova
Spoj dva PN spojaJo se nazivaju i spojni (junction).
Osnovna razlika izmeu NPN i PNP tipa su, konstrukcijski gledano,
obrnuti tipovi poluvodia, a u koritenju obrnute polarizacije
elektroda
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 6
10
Spajanje tranzistora Ulazni i izlazni krug.
Dvije baterije koje osiguravaju potrebne napone tj.
polarizacije.
Mogua je i izvedba s jednom baterijom kojom se realiziraju dva
napona.
Ovisno o vrstama spoja (zajednikoj elektrodi) tranzistora moemo
imati 3 razliita spoja tranzistora:
spoj sa zajednikom bazom (ZB)
spoj sa zajednikim emiterom (ZE)
spoj sa zajednikim kolektorom (ZC)
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 7
11
PNP tranzistor u spoju sa zajednikom bazom (za NPN polarizacije
baterija okrenute)
P PN
E CB
+ -UEB
+ -UCB
IEIB
IC
+ -UEB
+ -UCB
IEIB
IC
E C
B
PNP
Ulazni krug: krug E-B Izlazni krug: krug C-B
Baza je zajednika za ulazni i izlazni krug pa kaemo da se radi o
spoju sa zajednikom bazom (ZB)
Kod uobiajenog rada tranzistora, bez obzira na vrstu spoja (ZB,
ZE ili ZC), u normalnom radu tranzistora, dioda emiter-baza
polarizirana je propusno, a dioda kolektor-baza nepropusno.
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 8
12
Unutranja kretanja nositelja naboja u normalno polariziranom PNP
tranzistoru u spoju sa zajednikom bazom (ZB)
P PNE CB
+ -UEB
+ -UCB
IEIB
IC
-IR ICB0
IPCIPE-INE
E E
Osnovni princip rada bipolarnog tranzistora
Napomena: struje sa negativnim predznakom se odnose na
struje
koje se sastoje od gibanja negativnog naboja (elektrona),
dakle suprotno od konvencije da smijer struje odgovara
smijeru
gibanja pozitivnog naboja. Podsjetimo se ako se elektroni
gibaju u jednom smijeru, to znai da se upljine gibaju u
suprotnom
smijeru. Ako se struja naznai u smijeru gibanja elektrona, onda
je
konvencionalni smijer strujesuprotan, zato se stavlja -.
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 9
13
IPE struja + nositelja u E
INE struja - nositelja (iz B; uzima se kretanje sl. elektrona,
dakle negativnih naboja, pa predznak -) u E
P PNE CB
+ -UEB
+ -UCB
IEIB
IC
-IR ICB0
IPCIPE-INE
E E
Prvo ocite struje:
Spoj EB je PROPUSNO polariziran kroz PN spoj difuzno prolaze
VECINSKI nositelji:
NEPENEPEE IIIII )(1. Kirchh.zakon
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 10
14
ICB0 struja zasicenja (zaporno polariziranog PN spoja CB)
IPC ovo nije tako ocito; slijedi objanjenje
P PNE CB
+ -UEB
+ -UCB
IEIB
IC
-IR ICB0
IPCIPE-INE
E E
Prvo ocite struje:
Spoj CB je NEPROPUSNO polariziran kroz PN spoj prolaze driftno
samo MANJINSKI nositelji:
to sa ostalim strujama?
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 11
15
P PNE CB
+ -UEB
+ -UCB
IEIB
IC
-IR ICB0
IPCIPE-INE
E E
KLJUNA IDEJA:
Fizika irina baze znatno manja oddifuzijske duljine upljina koji
se injektiraju iz E.
Posljedica velika veina upljina iz E, umjesto da se rekombinira
u B, doe do zapornog CB spoja, tu ih zahvaapolje kontakta i
transportira u kolektor (jer su upljine u B manjinski nositelji, a
sjetimo se, polje kontakta ne sprijeava manjinske nositelje pri
prolazu, dapae). Dakle, emiter odailje (emitira) upljine, a
kolektor is skuplja (kolekcionira) odavde imena elektroda E i
C.
Ove upljine sainjavaju IPC.
PCCBC III 0
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 12
16
P PNE CB
+ -UEB
+ -UCB
IEIB
IC
-IR ICB0
IPCIPE-INE
E E Tek manji dio upljina iz E (oko 1%) uspije se rekombinirati
sa elektronima u B, sainjavajui IR, pa je:
0
0)(
CBRNE
CBRNEB
IIIIIII
Na svaki elektron koji doe u B, E treba poslati cca 100 upljina
da bi se elektron rekombinirao (jer ih se cca 99 transportira u C
prije nego se stignu rekombinirati u B).
IPC je cca 100 puta vea od IR mala promjena IR izaziva cca 100
puta veu promjenu IPE , zbog toga i IPC , a samim tim IC (jer je
ICBO zanemarivo mala prema IPC , pa IPC IC ) ovo je pojaivaki efekt
tranzistora
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 13
17
P PNE CB
+ -UEB
+ -UCB
IEIB
IC
-IR ICB0
IPCIPE-INE
E E IR je kontrolirana preko IB (koja se,
ako je shema spajanja tranzistora takva (ovdje NE), iz vanjskog
svijeta moe podeavati).
No, dio IB se ne iskoristi, ve se izgubi na struje INE i ICBO
(jer one ne sudjeluju u pojaivakom efektu, koji zavisi samo o
IR)
Stoga se BJT izrauje da se ove beskorisne struje
minimiziraju
ICBO je vrlo mala, no INE (veinski nositelji iz baze) u principu
moe biti znatna ovo bi znailo da se znatan dio IB ne iskoristi za
pojaanje (tj. za IR), vejednostavno izgubi difundiranjem u E
Stoga se BJT izrauje tako da INE bude to manja baza je zato
znatno manje oneiena od emitera INE je znatno manje od IPE
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 14
18
Istosmjerni faktor strujnog pojaanja spoja ZB (za smjerove
struja kao na slici):
E
CPCCBCBPCC
E
PC
IIIIIII
II
00 ,
P PNE CB
+ -UEB
+ -UCB
IEIB
IC
-IR ICB0
IPCIPE-INE
E E
Izmjenini faktor strujnog pojaanja:
konstUE
C
CBii
' 0.95,0.995
Spoj ZB nema strujnog pojaanja!
BITNO!
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 15
19
No, pogledajmo naponsko pojaanje(omjer promjene ulaznog napona
UEB i izlaznog napona UCB).
P PNE CB
+ -UEB
+ -UCB
IEIB
IC
-IR ICB0
IPCIPE-INE
E E
Dinamiki otpor ulaznog kruga (propusno polariziran spoj EB) je
malen.
Dinamiki otpor izlaznog kruga (zaporno polariziran spoj CB) je
velik.
Spoj ZB ima veliko naponsko pojaanje!
S obzirom da su ulazna i izlazna struja priblino iste (IE IC),
po Ohmovom zakonu (U=I x R) slijedi da e promjena ulazne struje
izazvati malu promjenu ulaznog napona, no veliku promjenu izlaznog
napona (jer je izlazna struja priblino ista kao ulazna, ali izlazni
dinamiki otpor je znatno vei od ulaznog)
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 16
20
Spoj ZE
UBE+ -UCE
IB
IE
ICE
C
BPNP
Za nepropusnu polarizaciju spoja kolektor-baza mora biti
ispunjen uvjet
BECE UU
Faktor strujnog pojaanja (istosmjerni) spoja ZE :
B
C
II
E
C
II
0:. CEB IIIzakonKirchI
1)( EE
E
CE
E
III
III
(obino 20..200)
Spoj ZE ima veliko i strujno i naponsko pojaanje najee koriten
spoj!
BITNO!Uoiti da to je blie 1, je vei!
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 17
21
Spoj ZC
Emitersko sljedilo
- veliko strujno pojaanje- nema naponskog pojaanja (promjena
ulaznog napona izaziva
praktino istu promjenu izlaznog napona)
UBC UEC
IBIE
IC
E
C
BPNP
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 18
22
Prema polarizaciji emiterskog i kolektorskog spoja, razlikujemo
rad tranzistora u etiri podruja:
Podruja rada BJT-a - BITNO
1. Normalno aktivno podruje EB propusno, CB nepropusno2.
Inverzno aktivno podruje CB propusno, EB nepropusno3. Podruje
zasienja EB propusno, CB propusno4. Zaporno podruje EB nepropusno,
CB nepropusno
pojaalo
sklopka Praktino se ne koristi
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 19
Karakteristike tranzistora
Moe se pokazati da su struje u tranzistoru odreene sljedeim
zakonitostima
(1.4-1)
(1.4-2)
(1.4-3)
pri emu je ISE reverzna struja zasienja spoja baza-emiter,
parametar oznaava strujno pojaanje zajednike baze i predstavlja dio
struje emtera iE koji doprinosi ukupnoj kolektorskoj struji, ICBO
je reverzna struja zasienja spoja kolektor-baza u sluaju odspojenog
emitera, a UT je toplinski napon odreen izrazom
.. (1.4-4)
Napon UT predstavlja naponski ekvivalent temperature i kod
temperature od 300 K ima vrijednost 25.861x 10-3 V.
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 20
Drugi vaan parametar tranzistora je strujno pojaanje zajednikog
emitera izraeno kao
.. (1.4-5)
Vrijednost parametra je priblino stalna i blizu je, ali uvijek
manja od 1.
Najea vrijednost parametra je u rasponu od 0.9 do 0.988, tako da
je vrijednost parametra u rasponu od 9 do 500.
Promjene parametra su usko vezane s promjenama parmetra .
Prethodno navedeni modeli i jednaine vrijede u sluaju idealnog
tranzistora.
Modeli i jednaine u sluaju realnog tranzistora odstupaju od
idealnih i najbolje se ogledaju u statikim karakteristikama
tranzistora.
Statike karakteristike zamiljenog npn tranzistora prikazuje
slika 1.4-3.
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 21
Emiterske karakteristike, slika 1.4-3(a),
prikazuju zavisnost emiterske struje iE o naponu propusne
polarizacije emitera uBE za nekoliko vrijednosti napona uCB.
Vidljiva je zavisnost krivulje iE-uBE o naponu uCE.
Zavisnost je manja za napone uCE vee od nekoliko volti.
Krivulja iE-uBE pokazuje i temperaturnu zavisnost, pa tako kod
silicijevog tranzistora, uz stalni iznos struje iE, napon uBE
opada
za 2 mV kod porasta temperature za 1 K.
Slika 1.4-3 : Statike karakteristike zamiljenog tranzistora u
spoju zajednike baze, (a) karakteristike emitera i (b)
karakteristike kolektora
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 22
Kolektorske karakteristike, slika 1.4-3(b),
pokazuju zavisnost kolektorske struje iC prema naponu
kolektor-baza uCB uz razliite stalne iznose struje emitera iE.
Kao to je i za oekivati iz izraza (1.4-2), slijedi da je
kolektorska struja iC u aktivnom podruju gotovo nezavisna o
kolektorskom naponu i zavisi samo o struji iE.
U idealnom sluaju, kada bi bilo jednako jedinici, kolektorska
struja bi bila jednaka emiterskoj struji, iC = iE.
U sluaju realnog tranzistora iC iE i krivulja ima mali nagib
koji oznaava slabu zavisnost o naponu uCB.
Za vee vrijednosti napona uCB, zavisnost se pojaava, te se u
tehnikom podacima o tranzistoru navodi i napon proboja UCBO iznad
kojega tranzistor ne moe raditi.
Kod toga napona iznos struje iC naglo poraste.
Ako se ne prekorae dozvoljeni iznosi struja i temperature,
tranzistor moe raditi u podruju proboja.
Slijedi opis rada tranzistora u reimu zapiranja i zasienja,
prema slici 1.4-3(b).
U aktivnom reimu rada, zbog odravanja nepropusne polarizacije
spoja kolektor baza, napon uCB > 0.
Meutim, kada je uCB < 0, spoj kolektor-baza postaje propusno
usmjerenim, kod uCB = -0.6 V, struja koju daje emiter je smanjena
te se smanjuje i iC.
U tom sluaju spoj kolektor-baza djeluje kao obina spojna dioda i
struja moe poprimiti negativnu vrijednost.
Opisani rad, kada je uCB < -0.6 V, odgovara radu tranzistora
u podruju zasienja.
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 23
Tranzistor pak radi u reimu zapiranja kada je iE = 0, uz uCB
> -0.6 V, emu odgovara iC = ICBO 0 i spoj baza-emiter ne
vodi.
U nekim elektrinim krugovima tranzistor radi kao dvopolni
element, s ulaznim i izlaznim stezaljkama, pri emu baza tvori
zajedniku stezaljku.
U spoju zajednike baze, karakteristike prikazane na slici
1.4-3(a) i (b) se nazivaju ulaznim, odnosno izlaznim
karakteristikama.
Slika 1.4-4 : Kolektorske karakteristike bipolarnog tranzistora
npn tipa s naponom baza-emiter kao parametrom
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 24
Najea primjena tranzistora je u spoju zajednikog emitera, pri
emu za ulaz signala slui baza, a izlaz kolektor.
U sluaju kada je ulazni napon jednak naponu baza-emiter, izgled
izlaznih karakteristika prikazuje slika 1.4-4.
Kada su krivulje priblino linearne do take prekida, aktivno
podruje odgovara naponu uCE izmeu 0.6 do 0.8 V.
Ako se linearne krivulje ekstrapoliraju u suprotnu stranu
pozitivne osi uCE, sastaju se u taki -UA koja se
naziva Early-jevim naponom.
Tipina vrijednost napona UA se kod bipolarnih spojnih
tranzistora kree u rasponu od 50 do 100 V.
Early-jev efekt dovodi do pozitivnog nagiba krivulja, a rezultat
je irenja osiromaenog sloja spoja kolektor-baza i
smanjenja djelatne irine baze,
pri porastu napona uBE.
Iz toga proizlazi i obrnuta proporcionalnost struje ISE u odnosu
na irinu baze (1.4-1), to rezultira porastom struje iC prema izrazu
(1.4-2).
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 25
Poveanje struje iC se opisuje dodavanjem posebnog faktora struji
ISE, te izraz za iC glasi
.(1.4-6)
Ponaanje spoja zajednikog-emitera zamiljenog npn silicijskog
tranzistora prikazuje slika 1.4-5.
Ulazne karakteristike na slici 1.4-5(a) opisuju zavisnost
iB-uBE.
Uoljiva je zavisnost o naponu kolektor-emiter, uCE.
Izlazne karakteristike, slika 1.4-5(b), su sline krivuljama na
slici 1.5-3, osim to stalni parametar pojedine krivulje umjesto
napona predstavlja struja baze.
Uzrok pojave napona proboja u spoju zajednikog emitera je
sloeniji negoli kod spoja zajednike baze.
Napon iznad kojega tranzistor u spoju zajednikog emitera ne moe
pravilno raditi naziva se naponom zadravanja, UCEO, i
otprilike iznosi polovinu vrijednosti napona proboja tranzistora
u spoju zajednike baze UCBO.
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 26
Slika 1.4-5: Statike karakteristike zamiljenog tranzistora u
spoju zajednikog emitera (a) ulazne karakteristike
i (b) izlazne karakteristike
-
Univerzitet u Banjoj Luci ,Prirodno matematiki fakultet Banja
Luka predmet: ELEKTROTEHNIKA I TEHNOLOGIJA II , predavanje IV ,
29.marta 2013.godine
Predavanja Prof.Dr Mio GAANOVI,dipl.ing.elektrotehnike 27
VJEBE
Zadaci iz tranzistora za II parcijalni ispit