2014-04-09 1 ELEMENTY ELEKTRONICZNE AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, [email protected]dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, [email protected]TRANZYSTOR BIPOLARNY EiT 2014 r. PD&IB 2
30
Embed
Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra ...home.agh.edu.pl/~brudnik/downloads/LabEE/Wyklady/EiTwyklad_06.pdf · 2014-04-09 1 ELEMENTY ELEKTRONICZNE AKADEMIA GÓRNIZO-HUTNICZA
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
2014-04-09
1
ELEMENTY ELEKTRONICZNE
AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE
Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji
Katedra Elektroniki
dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, [email protected]
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 3
Czy wiesz, że……: …. do niedawna tranzystor bipolarny był najpowszechniej stosowanym elementem półprzewodnikowym, wypowiadając słowo „tranzystor” rozumiano, że chodzi o tranzystor bipolarny.
…. prąd płynący między dwiema końcówkami tranzystora bipolarnego jest regulowany przez stosunkowo niewielki prąd płynący przez trzecią końcówkę.
B
C
E
pnp
B
C
E
npn
…. w tranzystorze bipolarnym w przepływie prądu biorą udział zarówno elektrony jak i dziury.
TRANZYSTOR BIPOLARNY WSTĘP
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 4
Jak to było z diodą……?:
UD
ID
T
p n
RL
T
Inne sposoby zwiększania prądu unoszenia ……???
2014-04-09
3
TRANZYSTOR BIPOLARNY WSTĘP
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 5
p n
RC
p+
EC EE
RE
IE IC
IB
EMITTER BASE COLLECTOR
Wb
wstrzykiwanie
dziur
unoszenie
dziur
IC
UBC
IE
W dobrym tranzystorze pnp prawie wszystkie dziury wstrzykiwane z emitera do bazy są unoszone i zbierane w kolektorze. Temu założeniu sprzyja spełnienie warunków wąskiej bazy (Wb<<Lp) oraz długiego czasu życia dziur τp.
TRANZYSTOR BIPOLARNY WSTĘP
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 6
p n
RC
p+
EC EE
RE
IE IC
IB
EMITTER BASE COLLECTOR
Wb
wstrzykiwanie
dziur
unoszenie
dziur
Na przepływ prądu bazy składają się:
1. Prąd elektronów rekombinujących z dziurami w bazie. 2. Prąd elektronów wstrzykiwanych do emitera pomimo mimo, że emiter
jest silniej domieszkowany niż baza.
3. Niewielki prąd elektronów (powstających w wyniku generacji termicznej) wpływający do bazy od strony zaporowo spolaryzowanego złącza kolektorowego.
2014-04-09
4
TRANZYSTOR BIPOLARNY BILANS PRZEPŁYWU DZIUR I ELEKTRONÓW
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 7
p+ p n
iE
iC
iB
iEn
iEp
3
przepływ elektronów
4 5
za: „Przyrządy półprzewodnikowe”, Ben G. Streetman
1 wstrzykiwane dziury tracone na rekombinację w bazie
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 49
B C
E E
gm ube go gce
Ch-ki tranzystora bipolarnego dla OE
• od strony wyjścia: źródło prądowe sterowane sygnałem z wejścia: gm ube
• od strony wejścia: konduktancja wejściowa: g gbe
• od strony wyjścia: konduktancja wyjściowa: go gce
uce
ic
g gbe
ib
ube
UPROSZCZONY
gm ub'e ub'e
MODEL FIZYCZNY hybryd- dla OE
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 50
B C
E E
go gce
Ch-ki tranzystora bipolarnego dla OE
• od strony wyjścia: źródło prądowe sterowane sygnałem z wejścia: gm ube
• od strony wejścia: konduktancja wejściowa: g gbe
• od strony wyjścia: konduktancja wyjściowa: go gce
• od strony wejścia: rezystancja obszaru bazy: rbb‘
• z wejścia na wyjście bezpośrednio: sprzężenie rezystancyjne baza-kolektor: rb'c
• pojemność złącza emiterowego Cb‘e i pojemność złącza kolektorowego Cb'c
C Cb'c
Cb'e uce
ic B' rbb'
g gb'e
rb'c ib
ube
PEŁNY
2014-04-09
26
MODEL hybryd- dla OE wyznaczanie parametrów (1)
Transkonduktancja gm
• z definicji: czyli nachylenie „nietypowej” ch-ki przejściowej IC = f(UBE)
• z punktu pracy: różniczkując prąd diody emiterowej z modelu Ebersa-Molla:
i uwzględniając prąd kolektora (IC = IE):
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 51
BE
Cm
U
Ig
TE
E
BE
Em
Un
I
U
Ig
)(
)1( TE
BE
Un
U
ESE eII
uproszczona zależność
– wsp. wzm. prądowego dla OB nE – wsp. nieidealności złącza emiterowego UT – potencjał elektrotermiczny IC – stały prąd kolektora polaryzujący tranzystor
TE
Cm
Un
Ig
w praktyce nE = 1
T
Cm
U
Ig
MODEL hybryd- dla OE wyznaczanie parametrów (2)
Konduktancja wejściowa gb'e
• z definicji: czyli nachylenie ch-ki wejściowej IB = f(UBE) - niepraktyczne
• z punktu pracy: dla układu OE jest:
zatem z modelu Ebersa-Molla prąd bazy dla OE:
Następnie korzystając z def.:
uwzględniając: mamy:
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 52
BE
Beb
U
Ig
'
– wsp. wzm. prądowego dla OB 0 – wsp. wzm. prądowego dla OE nE – wsp. nieidealności złącza emit. UT – potencjał elektrotermiczny IC – prąd kolektora pol. tranzystor
)1(
,
EB
ECCEB
BCE
II
IIIII
III
TE
BEESB
Un
UII exp)1(
TE
BEES
TEeb
Un
UI
Ung exp)1(
1'
TE
Beb
Un
Ig '
0C
B
II
00'
m
TE
Ceb
g
Un
Ig
2014-04-09
27
MODEL hybryd- dla OE wyznaczanie parametrów (3)
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 53
Rezystancja rozproszona bazy rbb'
• z porównania modelu hybryd- i hybrydowego: ebebb rhr '11'
Konduktancja wyjściowa gce
• z definicji:
• uwzględniając efekt Early’ego: i różniczkując z def. mamy:
CE
Cce
U
Ig
Sprzężenie rezystancyjne rb‘c
• z definicji:
• ale UCB >> UBE, to: i U A>> UCE, to: B
CBcb
I
Ur
'
A
CEBC
U
UII 10
CEA
C
ABce
UU
I
UIg
10
C
CEA
ceC
CEcb
I
UU
gI
Ur
0
0
0
'
Tm
Acb
Ug
Ur 0'
UA – napięcie Early’ego
ece hg 22
MODEL hybryd- dla OE wyznaczanie parametrów (4)
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 54
Pojemność wejściowa C – złącza emiterowego Cb'e
jedeeb CCCC '
pojemność dyfuzyjna
pojemność złączowa
1
1'' ebF
T
EFdeeb g
U
ICC
Pojemność sprzęgająca C – złącza kolektorowego Cb‘c
Pojemność złączowa zaporowo spolaryzowanego
złącza baza-kolektor
2014-04-09
28
MODEL hybryd- dla OB
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 55
constUE
C
BC
i
i
T
E
constUUBE
Eeb
U
I
u
ig
BCBE
,
'
10
''
ebeb
gg
meb gg '
ie ic
rbb'
ub'e
ucb
gcb' geb' gm ueb'
ie
E C
B'
B
Ceb'
gce
Ccb'
CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNE
Kiedy, dla jakich częstotliwości, tranzystor przestanie spełniać swoją podstawową
funkcję, czyli wzmacniać?
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 56
Zakres stosowalności: TF
Małosygnałowe wzmocnienie prądowe dla zwartego
wyjścia:
eb
cbeb
eb
m
b
ebm
ub
c
g
CCj
g
g
j
ji
jugj
i
ij
ce
'
''
'
'
0
1
)(
)(
)()(
)(
2014-04-09
29
CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNE
• Częstotliwość graniczna f – przy, której wzmocnienie (f) zmniejszy się o 3dB:
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 57
2)( 0 f
eb
cbeb
eb
m
g
CCj
g
g
j
'
''
'
1
)(
2
22
2
22 11)(
X
GX
X
Gj
2222 111)(
X
GXj
X
G
Xj
Gj
Oznaczając : eb
cbeb
eb
m
g
CCX
g
gG
'
''
'
,
2)( 0 f
2
0
222
0
22
2222
0
2
22
2
22
21
21
211
GX
X
GXG
X
GX
X
G
X
1
cbeb
eb
CC
g
''
'
)(2 ''
'
cbeb
eb
CC
gf
0
'
meb
gg
CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNE
• Częstotliwość graniczna f – przy, której wzmocnienie (f) zmniejszy się o 3dB:
Postępując analogicznie jak dla WE otrzymujemy:
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 58
2)( 0 f
'
'
2 eb
eb
C
gf
2014-04-09
30
CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNE
• Częstotliwość przenoszenia fT – przy, której moduł wzmocnienia (f) =1
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 59
eb
cbeb
eb
m
g
CCj
g
g
j
'
''
'
1
)(
)(2 ''
'
cbeb
eb
CC
gf
f
fj
f
1
)( 0
f
fj
f
fj
f
1
1)(
0
ff przy:
dla: jest: Tff 1)( f
Tf
f
0
1
ffT 0
CZĘSTOTLIWOŚCI GRANICZNE
EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - tranzystor bipolarny 60
||, ||
f [kHz]
1 10 100 1000 10000
1
0
f
f T
-3dB
-3dB f
Tranzystor bipolarny pracujący w układzie wspólnej bazy ma -razy większą częstotliwość graniczną