Tranzistorul Bipolar KT 3102

3

Cuprins1. Tehnologia de fabricare a tranzistorului bipolar KT 3102. . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Procedee fizice n tranzistorul bipolar .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 63. Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar cuplat in schema emitor

comun, baza comuna si colector comun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104. Analiza schemelor echivalente ale tranzistorului bipolar .. . . . . . . . . . . . . . . 165. Parametrii H pentru tranzistorul bipolar . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186. Funcionarea tranzistorului bipolar la frecvene nalte . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .217. Funcionarea tranzistorului bipolar n regim de comutatie(impuls). . . . . . . . . . .228. Modelul matematic al tranzistorului bipolar . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28

9. Parametrii de baza ai tranzistorului bipolar dat. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3310. Utilizarea tranzistorului bipolar n circuite electronice( se analizeaza o schema

de principiu a unui dispozitiv electronic care contine tranzistorul din clasa data)...3511. Proiectarea unui amplificator de audiofrecventa cu si fara transformator.. . . . . 36Noiuni de baz

Tranzistorii au fostconceputi la Laboratoarele Bell Telephone de fizicienii americani Walter Houser Brattain, John Bardeen si William Bradford Shockley Pentru aceasta realizare cei trei au impartit in 1956 Premiul Nobel in fizica. Shockley este cunoscut ca initiatorul cercetarilor asupra materialelor semiconductoare ce au dus la descoperirea acestor tipuri de dispozitive. Colegii sai sunt creditati pentru descoperirea diferitor tipuri de tranzistori.Tranzistorul bipolar contine trei parti din siliciu (germaniu) foarte purificat la care sunt adougate cantitati mici de materile dopante. Legatura dintre placutele de siliciu se numeste jonctiune care da voie curentului sa treaca de la n la p.Se numesc emitor i respectiv colector regiunile de la extremiti care au acelai tip de conductibilitate (ambele p sau ambele n). Baz este numit regiunea central care are o conductibilitate opus fa de extremiti. Pe suprafaa fiecreia din cele trei regiuni se depune cte un strat metalic de contact pe care se sudeaz firele de conexiune. La un tranzistor, jonciunea emitor baz se numete jonciunea emitor, iar jonciunea colector baz se numete jonciunea colector. n mod normal jonciunea emitorului este polarizat direct, iar jonciunea colectorului este polarizat invers. Acest regim de lucru prezint regimul activ normal.

n funcie de dopare a conexiunilor se deosebesc dou tipuri de tranzistoare:

1. de tip p-n-p (emitorul i colectorul sunt de tip p, iar baza este de tip n)2. de tip n-p-n (emitorul i colectorul sunt de tip n, iar baza este de tip p)n fig.1.1 sunt artate structurile simplificate ale tranzistoarelor de tip p-n-p i n-p-n i reprezentrile lor grafice.

Fig.1.11. Tehnologia de fabricare a tranzistorului bipolar KT 3102

Tranzistoarele bipolare se fabric pe baza germaniului, siliciului i arsenurii de galiu. Cea mai larg utilizare o are germaniul i siliciu. Metodele tehnologice permit de a fabrica tranzistorul n aa mod ca s se realizeze ntr-o msur oarecare cerinele pentru parametrii maximi admisibili.

La etapa actual se utilizeaz urmtoarele metode de fabricare ale tranzistoarelor: metoda de aliere, metoda de difuzie, metoda planar, epitaxial-planar i mesa-planar.

Tranzistorul KT 3102 reprezint un tranzistor din siliciu (Si) de tip n-p-n. Tranzistorul dat se fabric prin metoda epitaxial planar.Aceasta metoda se bazeaz pe metoda planar. Pentru nceput vom analiza metoda planar de fabricare a tranzistoarelor.

Se ia o plachet de monocristal din siliciu (Si) tip-n, (care n structura rezultant va reprezinta colectorul). Pe aceast plachet peste prima masc de oxid se efectueaz difuzia acceptorului (de obicei bor) i se primete stratul p al bazei. Apoi peste a doua masc se face difuzia donorilor (de obicei fosfor) astfel primim stratul emitorului. Ultimul tip al procesului tehnologic (metalizarea) l constituie depunerile metalice (aluminiu, n acest caz), care au rolul de a forma contactele de cuplare a elementelor de circuit.Mtile n form de bioxidul SiO2, primit prin metoda oxidrii termice a suprafeei plcii de siliciu, are urmtoarele prioriti:

1. Masca de oxid este legat organic de suprafaa plcii, acordnd un contact forte bun cu ea, i exclude ptrunderea difuzantului n spaiul dintre masc i plachet.

2. Grosimea mtii de oxid (aproximativ un micron), este de ajuns pentru o protecie sigur a poriunilor de plac de la ptrunderea difuzantului.

3. Stratul de oxid odat cu funcia de mascare, mai execut i funcia de protecie a suprafeei (nseamn c i a jonciunilor p-n, ce ies la suprafa), de la acionarea diferitor factori externi. n cazul metodei de aliere sau mezatehnologiei, pentru aceasta trebuie de folosit mijloace speciale straturi protectoare.

Mtile de oxid snt confecionate prin metoda fotolitografierii. n cazul tehnologiei epitaxial-planare, dintre regiunile bazei i a colectorului se creeaz un strat de rezisten nalt i de aceeai conductibilitate ca i colectorul. Acest strat se obine prin aa numita depunere epitaxial a unei pelicule subire de monocristal de o rezisten nalt pe o suprafa de cristal ce servete ca corp al colectorului. Regiunile bazei i a emitorului se obin de obicei prin difuzia local. Structura unui tranzistor obinut prin metoda epitaxial-planar este artat n fig.2.1.

Fig.2.1

2. Procedee fizice n tranzistorDispozitivul este numit tranzistor bipolar deoarece ambele tipuri de purtatori mobili de sarcina intervin in functionarea sa. n stare de echilibru (cnd sursele de tensiune de alimentare sunt deconectate) curenii rezultani ce trec prin ambele jonciuni sunt egali cu zero. La aplicarea la emitor a unei tensiuni pozitive UEB, iar la colector a unei tensiuni negative UCB se schimb poziia zonelor energetice (vezi fig.3.1,b). nlimea barierei de potenial a emitorului se micoreaz, iar a colectorului crete (vezi fig.3.1, c). Condiiile de micare a purttorilor de sarcin minoritari prin jonciunea colectorului aproape nu se schimb. ns, condiiile de deplasare a purttorilor de sarcin majoritari prin jonciunea emitorului se vor uura (deci se vor deplasa mai muli i mai repede). Numrul electronilor ce trec din emitor n baz va crete. Curentul emitorului ce conine componenta golurilor i componenta electronilor va crete.

n dependen de grosimea bazei curentul emitorului diferit influeneaz asupra curentului colectorului IC. Dac grosimea bazei este mare, atunci nu toi electronii injectai din emitor n baz reuesc s ajung n colector, deoarece ei se recombin cu golurile din baz. Astfel se formeaz curentul de recombinare IR.

Cu ct este mai mic grosimea bazei cu att mai puini electroni se vor recombina cu golurile din ea, deci cu ci mai muli electroni ajung la jonciunea colectorului cu att mai mare va fi curentul colectorului.

Fig.3.1

Deci, cum s-a vzut c n regim activ curentul total al emitorului IE = IEn + IEp + IErec este alctuit din curentul IEn de electroni, injectai din emitor n baz, curentul IEp a golurilor, injectai din baz n emitor, i curentul IErec de recombinare a purttorilor de sarcin n jonciunea emitorului. n aceast sum numai prima component este util, deoarece anume ea influeneaz asupra curentului colectorului, celelalte componente sunt duntoare, i se tinde de obinut valorile lor ct mai mici. Micarea electronilor, injectai n baz este condus de recombinarea unei pri e electronilor, de aceea curentul electronilor ICn ce se apropie de jonciunea colectorului, este mai mic ca curentul IEn cu mrimea IBrec, ce se numete curentul de recombinare n baz, care se tinde de a fi micorat.

Criteriile fundamentale pe care trebuie sa le indeplineasca un tranzistor sunt:

1. Emitorul este mult mai puternic dopat decat baza (curentul prin jonctiunea emitorului trebuie sa fie determinat de purtatorii majoritari ai emitorului injectati in baza, injectia de purtatori majoritari ai bazei in emitor trebuie sa fie neglijabila).

2. Regiunea bazei este fizic subtire, mai mica decat lungimea de difuzie (purtatorii injectati in baza o traverseaza fara a suferi procese de recombinare majore).

3. Zona colectorului este fizic mai larga decat cea a emitorului (ajuta la colectarea curentului injectat de emitor si la disiparea eficienta a caldurii generate pe jonctiunea colectorului).

4. Colectorul este slab dopat fata de baza (in acest fel stratul de baraj are o largime mai mare si jonctiunea colectorului poate suporta tensiuni inverse mari, de zeci pana la sute de volti, fara sa se strapunga).

Curenii tranzistorului. Notnd IE, unde - coeficient de transfer al emitorului, acea parte a curentului emitorului care trece prin jonciunea colectorului, vom scrie expresia pentru curentul colectorului n modul urmtor:

(3.1)

Curentul invers al colectorului IC0 este egal cu curentul ce trece prin jonciunea colectorului, cnd la colector se aplic tensiune invers i cnd curentul emitorului este egal cu zero. Fiindca Ic0 este destul de mic, il putem neglija si astfel scriem: Ic= (3.1a)Prin contactul bazei trece curentul IB, care este egal cu diferena dintre curentul emitorului i a colectorului:

IB = IE IC (3.2)

n aa mod, prin contactul emitorului (circuitul emitor - baz) curge curentul de dirijare IE (de intrare), prin contactul colectorului (circuitul colector - baza) curentul de dirijare Ic (de ieire) i curentul invers al colectorului IC0, iar prin contactul bazei diferena curentului emitorului i a colectorului.IE=IC+IB Legea de aur a curentilor prin tranzistor

Coeficienii de transfer a curenilor. Modificarea curentului colectorului rezultat din modificarea curentului emitorului si este condiionat numai de electroni. ns curentul total al emitorului este determinat att de electroni ct i de goluri. Tranzistorului cu att mai bine transmite schimbrile curentului emitorului n circuitul colectorului, cu ct mai muli electroni (n comparaie cu numrul golurilor) trec prin jonciunea emitorului i cu ct mai puini din aceti electroni se recombin n baz, neajungnd la jonciunea colectorului.

Eficacitate emitorului este determinat de coeficientul de injecie , care se determin dup relaia:

(3.5)

Trecind prin baz, o parte din electroni recombin att n straturile adnci ale bazei, ct i la suprafaa ei. De aceea nu toi electronii injectai de emitor ating jonciunea colectorului. Influena recombinrii n baz a electronilor asupra curentului colectorului este descris de coeficientul de transfer al electronilor prin baz

(3.6)

Coeficientul de transfer este cu att mai aproape de unitate cu ct grosimea bazei este mai mic. De aceea grosimea bazei a tranzistoarelor se face foarte mic.Coeficientul de transfer i de injecie pot fi calculai, dar nu pot fi msurai. De aceea ca parametru al tranzistorului este considerat coeficientul de transfer al emitorului. Din parametrii de baza ai tranzistorului il prezinta coeficientul de transfer dupa curent in cuplajul respectiv.

Ktrans=Iies/IinKtrans(BC)==Ic/IE>1 (3.7)

Ktrans(CC)==IE/IB>>1Pentru a defini legatura dintre acesti coeficienti folosim legea de aur a curentului prin tranzistor IE=IC+IB

(3.8)

(3.9)Coeficientul reprezint un parametru de semnal mare. El se determin din raportul curentul colectorului ctre curentul bazei la aplicarea unei tensiuni inverse la jonciunea colectorului. n practic mai des se ntlnete noiunea de coeficientul diferenial de transfer a curentului bazei, care este egal cu raportul dintre creterea curentului colectorului ctre creterea curentului bazei la aplicarea tensiunii inverse la jonciunea colectorului:

, la UCE = const 3. Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolarCaracteristicile statice ale unui tranzistor bipolar se numesc grafice ce reprezint dependena dintre curenii ce trec prin bornele tranzistorului i tensiunile ce se aplic la aceste borne.

Tranzistorului fiind un dispozitiv cu trei borne, n orice schem electric el poate fi conectat n trei moduri diferite: conectare cu baza comun (BC) (fig.4.1), conectare cu emitorul comun (EC) (fig.3.1,b) i cu colectorul comun (CC) (fig.3.1,c).

Fiecare din schemele de conectare ale tranzistorului se caracterizeaz prin patru familii de caracteristici:

1. Iie = f (Uie) la Iin = const caracteristici de ieire.2. Iin = f (Uin) la Uie = const caracteristici de intrare.

3. Iie = f (Iin) la Uie = const caracteristici de transfer a curentului.4. Uin = f (Uie) la Iin = const caracteristici de reacie invers dup tensiune.

n cataloage de obicei sunt prezentate primele dou tipuri de caracteristice (de intrare i de ieire), cci sunt cele mai importante i utilizabile. n continuare vom analiza aceste caracteristici n dependen de modul de conectare. 3.1Caracteristicile statice n conexiune BC.

Circuitul cu tranzistorul n baza comun este prezentat n fig.4.1. Att pentru circuitul de intrare ct i pentru cel de ieire borna comun este baza. Circuitul de intrare este cel al emitorului, iar circuitul de ieire cel al colectorului. Respectiv parametrii de intrare pentru conexiunea BC sunt: curentul emitorului IE i tensiunea dintre emitor i baz UEB, iar cei de ieire curentul colectorului IC i tensiunea dintre colector i baz UCB.

Fig.4.1

Schem tranzistorului n conexiunea baz comun

Caracteristicile de intrare. Caracteristicile de intrare ale tranzistorului n conexiunea BC sunt grafice ce arat dependena tensiunii dintre emitor i baz de curentul emitorului, cnd tensiunea dintre colector i baz este fixat. Ele sunt artate n fig.4.2,b. Pentru comoditate variabila IE se depune pe axa coordonatelor, iar valoarile tensiunii UEB pe axa abscisei. Caracteristica de intrare la UEB = 0 este analogic caracteristicii curent-tensiune a diodei: curentul IE crete exponenial cu creterea UEB. n cazul valorilor mari ale curenilor IE caracteristicile de intrare sunt aproape liniare. Creterea temperaturii deplaseaz caracteristicile de intrare spre axa curenilor.

a)b)

Fig.4.2

Caracteristicile de iesire (a) i intrare (b) ale tranzistorului

n schema BC

Caracteristicile de ieire. Familia caracteristicilor de ieire al tranzistorului n schema BC reprezint dependena curentului colectorului de tensiunea dintre colector i baz, cnd valoarea curentului emitorului este constant. Aceste caracteristici sunt artate pe fig.4.2,a.

n cazul cnd curentul IE=0 (UEB0) i tensiunea UCB0 i UEB>0 poart denumirea de regiune de saturaie.Particularitatea principal a regiunii active a caracteristicilor de ieire n schema BC este dependena slab a IC de tensiunea UCB.

Caracteristicile reale de ieire ale tranzistoarelor n BC pot fi descrise de formula:

IC =IE + IC0 + UCB/RC (4.2)

Unde RC este rezistena colectorului.

3.2 Caracteristicile statice n conexiune EC.

Circuitul cu tranzistorul n conexiune emitor comun este prezentat n fig.4.3. Att pentru circuitul de intrare ct i pentru cel de ieire borna comun este emitorul. Circuitul de intrare este cel al bazei, iar circuitul de ieire cel al colectorului. Pentru schema cu EC parametrii de intrare sunt curentul bazei IB i tensiunea dintre baz i emitor UBE, iar parametrii de ieire curentul colectorului IC i tensiunea dintre colector i emitor UCE.

Fig.4.3Schem tranzistorului n conexiunea emitor comun

Caracteristicile de intrare. Familia caracteristicilor de intrare n conexiunea EC reprezint graficile care arat dependena tensiunii dintre baz i emitor de curentul bazei, cnd tensiunea dintre colector i emitor este fixat UBE = f (IB) la UCE = const. Aceast familie este prezentat n fig.4.4, b. Parametrul familiei de caracteristici reprezint tensiunea dintre colector i emitor.

Caracteristicile de ieire. Familia de caracteristici de ieire a tranzistorului n conexiunea EC, care arat dependena curentului colectorului de tensiunea dintre colector i emitor la curentul bazei fixat, adic IC = f (UCE) la IB = const, este artat n fig.4.4, a. Parametrul familiei caracteristicilor este curentul bazei (curentul de intrare). Regiunile de nceput ale caracteristicilor se ntlnesc n originea coordonatelor, deoarece la tensiunea UCE = 0 diferena de potenial la jonciunea colectorului este practic egal cu zero, deci respectiv i curentul colectorului este egal cu zero. n comparaie cu caracteristicile de ieire ale tranzistorului n conectarea BC, cele n conectare EC au un unghi de nclinaiei mai mare. Aceasta se datoreaz unei dependeni mai mari a coeficientului de transfer a curentului bazei de tensiunea UCE.

n schema conexiunii EC curentul de intrare este curentul IB. Deci avem relaia:

(4.3)

Lund n consideraie expresia de mai sus (4.3) vom avea:

(4.4)

Fig.4.4

Caracteristicile de iesire (a) i intrare (b) a tranzistorului n conexiune EC

Curentul ICE0 trece prin circuitul colectorului la circuitul bazei deschis (IB = 0) i reprezint curentul invers al colectorului n schema EC. Valoarea curentului ICE0 poate s ating dimensiuni destul de considerabile.

Dac curentul IB = - IC0, atunci valoarea curentului IC este minim i este egal cu valoarea curentului IC0.

3.3 Cuplarea tranzistorului bipolar n-p-n n CC.

Circuitul cu tranzistorul n conexiune colector comun este prezentat n fig.4.5. Att pentru circuitul de intrare ct i pentru cel de ieire borna comun este colectorul. Circuitul de intrare este cel al bazei, iar circuitul de ieire cel al emitorului. Pentru schema cu CC parametrii de intrare sunt curentul bazei IB i tensiunea dintre baz i colector UBC, iar parametrii de ieire curentul emitorului IE i tensiunea dintre emitor i colector UEC.

Fig.4.3.1

Schem tranzistorului n conexiunea emitor comun

Caracteristica principal a conexiunii n colector comun este valoarea rezistenei de intrare foarte joas. Datorit rezistenei de intrare reduse tranzistorul n conexiunea colector comun este echivalent unui generator de tensiune care se schimb neesenial la variarea rezistenei de sarcin (bineneles pn cnd rezistena de sarcin nu depete cu mult rezistena de ieire a generatorului).

4.Schemele echivalente ale tranzistorului bipolar

Frecven joas.

Tranzistorul bipolar n funcie de parametrii circuitului n care este conectat are diferite comportri. n acest compartiment vom cerceta tranzistorul la frecven joas.Jonciunea colectorului, ct i jonciunea emitorului snt caracterizate prin nite capaciti datorate de existena straturilor cu sarcini spaiale n regiunea jonciunii. Deoarece jonciunea emitorului este alimentat n sens direct n capacitatea total a acestei jonciuni va predomina componenta de difuzie a capacitii; invers, pentru jonciunea colectorului alimentat n sens invers, va predomina capacitatea de barier Ccb. Dei la o jonciune p-n valoarea capacitii de difuzie, n curent alternativ efectul capacitii de barier colectorului (i emitorului) se face simit pentru frecvene care nu sunt suficient de joase, astfel nct schema echivalent a tranzistorului lucrnd la frecvene joase mai mari de 1000 Hz de exemplu, trebuie s fie completat prin luarea n consideraie a acestor capaciti i n special prin considerarea capacitii colectorului.

Capacitatea de difuzie a emitorului CBE a fost reprezentat punctat, subliniindu-se astfel ralul ei este secundar fa de cel al capacitii de barier a colectorului CBC.

Expresiile capacitilor jonciunilor colectorului i emitorului se pot afla prin rezolvarea ecuaiei Poisson pentru sarcinile spaiale din jonciunea respectiv. La rndul ei, sarcina spaial poate fi exprimat prin diferite relaii n funcie de modul n care snt distribuite impuritile n regiunea p i n care formeaz jonciunea. n toate cazurile ns, capacitatea jonciunii va depinde invers proporional de tensiunea aplicat jonciunii. Se arat c pentru jonciuni(deci i tranzistoare) obinute prin aliere pe cnd la jonciunile obinute prin cretere . Pentru tensiuni UC0=5 (V), capacitatea colectorului pentru tranzistori obinui prin aliere, este aproximativ 20-30 pF. Pentru tranzistori obinui prin cretere, la o tensiune UC0=5 (V) , capacitatea colectorului este aproximativ 10 pF.

Figura 4.1. Schema echivalent a tranzistorului

la frecven joas(la conectarea n emitor comun)Frecvene medii.

O deosebire esenial ntre schemele echivalente ale tranzistorului la frecven joas i medie nu este, numai c frecvene joase mai apare i capacitatea CBC.

Figura 4.2. Schema echivalent a tranzistorului

la frecven medie(la conectarea n emitor comun).

5. Parametrii H ai tranzistoarelor bipolare

Pentru a caracteriza funcionarea tranzistorului ca amplificator, se face apel la parametrii hibrizi (sau parametrii h), care se introduc considernd tranzistorul un cuadripol.

La intrarea cuadripolului (ntre baza i emitorul tranzistorului) s-au notat tensiunea i curentul alternativ cu indicele 1, iar la ieire (ntre colector i emitor, pentru conexiunea EC) s-a folosit indicele 2, conform fig.6.1, unde RS este rezistena de sarcin.

Fig.6.1

Cuadripol descris cu parametrii h

Alegnd n calitate de variabile independente curentul de intrare i tensiunea de ieire, iar n calitate de mrimi dependente tensiunea de intrare i curentul de ieire, se poate de obinut ecuaiile cuadripolului n sistemul de parametrii h-.

(1)

Coeficienii h11, h12, h21, h22 reflect proprietile electrice ale tranzistoarelor n relaiile cu semnale mici de frecven joas n punctul static de funcionare ales i se numesc parametrii h. Ei pot fi uor determinai, asigurnd regimul de scurtcircuit dup curent alternativ la ieire () i regimul de mers n gol la intrare ().

Rezistena de intrare cnd la ieire avem scurtcircuit:

Coeficientul de transfer dup tensiune cnd la intrare avem mers n gol:

Coeficientul de transfer dup curent cnd la ieire asigurm regim de scurtcircuit:

Conductibilitatea de ieire cnd la intrare avem mers n gol:

Parametrii menionai mai sus se msoar n:

h11 [ h12 [adimensional h21 [adimensional h22 [SLa ridicarea parametrilor h asigurm regimul de funcionare dup curent continuu, iar parametrii h se msoar dup curent alternativ la valori ale semnalului reduse. Parametrii h pot fi determinai din caracteristicile statice.

Legtura dintre parametrii h i parametrii echivaleni.

Pentru a arta legtura dintre parametrii h i cei echivaleni vom prezenta schema echivalent tranzistorului bipolar (fig.6.2).

Fig.6.2

Schema echivalent de conectare n baz comun.

Baz comun:

Emitor comun:

Sistemul de parametrii h este hibrid: unii parametrii h se msoar n regim de mers n gol la intrare, iar alii n regim de scurtcircuit la ieire.

Parametrii tranzistorului ca cuadripol depind de alegerea punctului static de funcionare (dup curent continuu), temperatur, frecven i schema de conectare.

Parametrii h necesari pentru calcule practice se pot obine prin metoda grafico-analitic dup caracteristicile statice de intrare i ieire. Pentru determinarea tuturor parametrilor h este necesar de avut nu mai puin dou caracteristici pentru fiecare familie.

6.Functionarea tranzistorului bipolar la frecvente inalte.

Figura 10. Circuitul echivalent Giacoletto.

(conexiune baz comun).

n figura 10. este reprezentata schema circuitului echivalent Giacoletto, pentru un tranzistor montat n conexiunea BC.

Distingem trei regiuni: regiunea 1 corespunde jonciunii emitor-baz, care fiind direct polarizat poate fi echivelent cu o rezisten rBE, de cteva sute de ( n paralel cu o capacitate CBE, de ordinul a sute de pF (capacitate de difuzie).

Regiunea 2 modeleaz fenomenul de transport al purttorilor prin baz, cu ajutorul generatorului de curent gmUEB i al rezistenei rCE (de ordinul a zeci de k(), ce corespunde difuziei purttorilor de la emitor spre colector. Totodat, rezistena rBB este rezistena extrinsec a bazei (baza inactiv) i este n jur de 100 (.

Regiunea 3 reprezint jonciunea colector-baz (invers polarizat), care se nlocuiete cu o rezisten rBC de valoare mare (de ordinul 1M() i cu capacitatea CBC de ordinul a civa pF (capacitatea debarier).

Punctul B corespunde regiunii active a bazei i este logic ca generatorul de curent s depind doar de cderea de tensiune dintre emitor i baza activ (UEB).

Coeficientul de proporionalitate gm se numete panta tranzistorului i se definete ca raportul dintre creterea infinitezimal a curentului de colector i creterea infinitezimal a tensiunii baz-emitor care o genereaz, celelalte mrimi fiind constante.

Aadar:

i se poate demonstra c:

n fine, pentru ca circuitul s fie complet s-au mai figurat i capacitile parazite dintre terminale (care sunt exerioare capsulei), i anume CEC, CBC i CEB. Acestea sunt de ordinul a 1- 4 pF, deci intervin n calcul doar la frecvene foarte nalte i din acest motiv de cele mai multe ori se pot neglija. De menionat c exceptnd rCB i rEB care o variaie mic, ceilali parametri ai circuitului Giacoletto propriu-zis depind puternic de punctul de funcionare static (de exemplu rCB scade cu IC, iar CBE crete cu IC).

7. Funcionarea tranzistorului bipolar n regim de comutatie(impuls)Tranzistorul bipolar pe larg se utilizeaz n dispozitive electrice n calitate de cheie electronic. Funcia cheii este comutarea i decomutarea circuitului electric. Datorit particularitilor sale electrice, adic datorit rezistenei mici n starea deschis i rezistenei mari n starea nchis, tranzistorul bipolar satisface pe deplin cerinele naintate elementelor de cheie.

Tranzistoarele bipolare care sunt destinate pentru lucrul n regim de cheie electronic se numesc tranzistoare cheie.

n continuare vom prezenta o schem electric a unui circuit de comutare i o vom analiza. Aceast schem este prezentat n fig.8.1. n cadrul ei destingem: un tranzistor, conectat n conexiunea emitor comun, i dou rezistoare R1 i R2 , care sunt amplasate n circuitul bazei i respectiv a colectorului. n circuitul colectorului este conectat o surs de tensiune continu EC.

Fig.8.1

Precum am menionat tranzistorul poate s se afle n dou stri: deschis i nchis. Dac la intrare aplicm tensiune negativ continu, atunci tranzistorul se va afla n regim de tiere, curentul colectorului ce curege prin rezistorul R2, este practic egal cu zero, iar tensiunea la ieire este egal cu tensiunea sursei de alimentare EC, ceea ce corespunde strii nchise a cheii electronice. Dac, ns la intrare aplicm o tensiune pozitiv destul de mare EB1, atunci prin circuitul bazei va curge un curent egal cu:

,

unde UBE este tensiunea direct dintre baz i emitor. n acelai timp n circuitul colectorului va curge un curent IC, care creeaz cdere de tensiune pe rezistorul R2. Tensiunea la ieire va scdea cu valoarea R2IC, ceea ce corespunde strii deschise a cheii electronice.Tensiunea de ieire n starea deschis a cheii electronice poate fi determinat dac vom construi caracteristica de ieire IC (UCE) la IB = IB1, ce este artat n fig.8.2. i vom trasa dreapta de sarcin, ce corespunde rezistorului R2. De obicei, este necesar ca tensiunea Uie s fie ct mai mic i slab s depind de tensiunea de intrare i rezistena R2. Aceste cerine sunt satisfcute dac punctul de lucru A se afl n regiunea curbat a caracteristicii tranzistorului, ceea ce corespunde regimului de saturaie. Atunci:

Uie = UCEsatUnde UCEsat este tensiunea de saturaie. De asemenea este nevoie de existena condiiilor de regim de saturaie, adic:

,

unde ICsat este curentul colectorului n regim de saturaie la .

Fig.8.2Procese de trecere la comutarea tranzistorului.

Sarcina de dezechilibru. La utilizarea practic a tranzistoarelor o mare importan are viteza de comutare, ce condiioneaz i viteza aparaturii n care se folosete. Viteza de comutare este condiionat de procesele de acumulare i mprtiere a sarcinii n baza i colectorul tranzistorului, n jonciunile emitorului i colectorului.

Pe fig.8.3, a sunt artate distribuia sarcinii n regim de tiere a tranzistorului. n jonciunile emitorului i colectorului se gsesc sarcini necompensate ale atomilor de impuriti ionizai donori i acceptori; sarcina de dezechilibru al regimului de tiere n baz Qtiere poate fi considerat egal cu zero.

La trecerea n regim de saturaie jonciunea emitorului se deschide, grosimea jonciunii i sarcina lui necompensat scade, are loc un fel de descrcare a capacitii jonciunii emitorului. Ca rezultat al cderii tensiunii pe sarcina R2 (vezi fig.8.1) scade tensiunea colectorului, deci se micoreaz grosimea grosimea jonciunii colectorului i a sarcinii n el, adic are loc descrcarea capacitii jonciunii colectorului, se deschide jonciunea colectorului i n regiunea bazei pe baz injectrii electronilor din jonciunile colectorului i emitorului se acumuleaz sarcin de dezechilibru de saturaie Qsat (vezi fig.8.3,b).

Fig.8.3

Graficele tensiunilor i curenilor tranzistorului n regim de comutare. n regimul de comutare tensiunile i curenii att de intrare ct i de ieire vor avea o anumit form. n continuare vom analiza aceste forme, reprezentndu-le pe graficile din fig.8.4.

a)

b)

c)

d)

Fig.8.4

La intrare se aplic un impuls de tensiune direct Uin, n acelai timp tensiunea bazei este egal cu Uin EBE , ea este depus pe fig.8.4,a cu sgeata n sus. Tensiunea invers, egal cu EBE este ar tat tot n aceast figur, dar cu sensul invers (sgeata n jos).

Graficul curentului de intrare este artat pe fig.8.4, b. Mrimea impulsului curentului direct al bazei IBdir se determin de rezistorul R1 care se alege de o valoare puin mai mare dect rezistena jonciunii emitorului:

.

Dup comutarea jonciunii emitorului n direcia invers curentul jonciunii, ca i n diod, are la nceput o valoare mare, limitat doar de rezistena RB.

.

Pe parcursul mprtierii sarcinii, rezistena invers a jonciunii emitorului crete i curentul bazei tinde la valoarea IBEU.

La forma dreptunghiular a impulsului curentului de intrare iB impulsul curentului de ieire iC (vezi fig.8.4, c) apare cu o reinere n timp tre, care se determin n mare parte de viteza de cretere tensiunii jonciunii emitorului, care depinde de capacitatea jonciunii i de curentul direct al bazei.

Dup ce tranzistorul va trece din regimul de tiere n regim activ, curentul colectorului ncepe permanent s creasc, atingnd valoarea determinat n timpul tcretere. Acest timp este determinat de viteza de acumulare a sarcinii n baz i viteza descrcrii capacitii colectorului. n aa fel, timpul total de comutare al tranzistorului const din timpul de reinere i timpul de cretere:

tcom = tre + tcre.

Practic acest timp poate avea valori de la cteva nanosecunde pn la cteva microsecunde.

Procesul de acumulare i mprtiere a sarcinii bazei qB la comutarea tranzistorului este artat n fig.8.4, d. Acumularea sarcinii n baz se ncepe dup timpul de reinere tre, i sarcina n timpul tcretere atinge valoarea qB = Qactiv. n continuare ca rezulta al scderii tensiunii colectorului, jonciunea colectorului se deschide i se ncepe injectarea sarcinilor n baz. Sarcina bazei din nou crete, atingnd valoarea impulsului de intrare qB = Qsat.

8. Modelul matematic al tranzistorului bipolar.

Pentru a obine modelul matematic al tranzistorului se utilizeaz schema prezentat n fig. 1. Fiecare jonciune este prezentat n form de o diod simpl, iar interaciunea dinre ele este reprezentat prin dou generatoare de curent. Dac jonciunea emitorului este deschis atunci n circuitul colectorului va curge un curent, puin mai mic ca curentul emitorului (din cauza procesului de recombinare n baz). Acest curent este obinut de ctre generatorul de curent . Indicele N reprezint conectarea normal sau direct. Deoarece n caz general tranzistorul poate fi conectat i indirect, la care jonciunea colectorului este deschis iar cea a emitorului este nchis, astfel rezult c curentului colector i corespunde curentul emitorului, n schema echivalent este introdus al doilea generator de curent , unde - coeficientul de transfer al curentului emitorului.

n aa fel curenii emitor i colector n caz general conin dou componente: cea injectat (sau ) i cea colectat (sau ):

(1)

Jonciunile emitor i colector sunt analogice jonciunii p-n a diodei. La conectarea aparte a jonciunilor tranzistorului atunci caracteristica Volt-Amper se determin la fel ca n cazul diodei. ns dac la una din jonciuni se aplic o tensiune, iar ieirea cealeilalte jonciune se scurtcircuiteaz, atunci curentul, care trece prin jonciunea p-n, la care a fost aplicat tensiunea, se mrete din cauza schimbrii concentraiei purttorilor minoritari de sarcin n baz.

(2)

unde - curentul termic al jonciunii emitorului msurat la scurcircuitarea electrozilor bazei i colectorului; - curentul termic al jonciunii colectorului msurat la scurtcircuitarea electrozilor bazei i emitorului.

Legtura dintre curenii termici a jonciunilor , conectai aparte, i curenii termici a jonciunilor o primim din relaiile (1) i (2). S presupunem c , atunci . Cnd Substituim aceste relaii n (1) i obinem pentru curentul colectorului urmtoarea ecuaie

Respectiv pentru avem

Lund n consideraie relaia (2) vom avea urmtoarele relaii pentru curenii colector i emitor:

(3)

Pe baza legii lui Kirghoff curentul bazei este:

(4)

La utilizarea relaiilor (1)-(4) trebuie de reinut c n tranzistoare la general este valabil relaia:

(5)

Rezolvnd ecuaia (3) n raport cu , vom boine:

(6)

Aceast ecuaie descrie caracteristicile de ieire ale tranzistoarelor.

Dac ecuaia (3) se rezolv n raport cu atunci se obine relaia care reprezint caracteristicile idealizate de ieire ale tranzistorului:

(7)

n tranzistorul real n afar de curenii termici ale jonciunilor mai sunt i curenii de generare-recombinare, cureni de canal i de scurgere. Deaceea de regul sunt necunoscute.

Dac jonciunea p-n este polarizat indirect atunci curentul termic poate fi nlocuit cu curentul de scurgere, adic putem considera c i . Prima aproximare poate fi utilizat i la polarizarea direct. Cu toate acestea la tranzistorii de siliciu trebuie substituit prin , unde coeficientul

m reprezint influiena curenilor asupra unei jonciuni reale (). Utiliznd aceasta, relaiile (3) i (5) adesea se scriu n alt forma care este mai comod la calcularea parametrilor circuitelor cu tranzistori reali:

(8) (9)

(10)

unde .

Se deosebesc trei regime de baz de funcionare a tranzistorilor bipolari: activ, de blocare i de saturaie.

n regimul activ una din jonciunile tranzistorului este polarizat direct datorit tensiunii aplicate din exterior, iar cealalt este polarizat indirect. Astfel n regim de polarizare normal activ emitorulu este polarizat direct iar tensiunea din relaiile (3) i (8) are semnul +. Jonciunea colectorului este polarizat indirect respectiv tensiunea n relaia (3) are semnul -. La conecatrea inversoare a tranzistorului n ecuaiile (3) i (8) tensiunea i trebuie s aib polaritate opus. Deosebirea dintre regimul inversor i cel activ are numai caracter cantitativ.

Pentru regimul activ, cnd i relaia (6) o vom scrie n forma urmtoare , care corespunde absolut cu relaia (1) din punctul anterior.

Lund n consideraie c deobicei i ecuaia (7) poate fi simplificat:

(11)

n acest mod, ntr-un tranzistor ideal curentul colector i tensiunea emitor-baz la o anumit valoare a curentului nu depind de tensiunea alpicat la jonciunea colector. n realitate la modificarea tensiunii se modific lrgimea bazei, din cauza schimbrii dimensiunilor jonciunii colector i respectiv se modific gradientul concentraiei purttorilor minoritari de sarcin. Astfel la mrirea are loc micorarea bazei, gradientul concentraiei golurilor n baz i curentul se mresc. n afar de aceasta, se reduce probabilitatea de recombinare a golurilor i se mrete coeficientul . Pentru menionarea acestui efect, care apare mai pronunat n regimul activ, n relaia (11) se adaug nc un termen:

(12)

unde - rezistena diferenial a jonciunii colectorului blocat.

Aciunea tensiunii asupra curentului se observ cu ajutorul coeficientului de reacie negativ n tensiune:

, (13)

care arat de cte ori trebuie schimbat tensiunea pentru primirea aceleiai schimbri a curentului . Semnul minus arat c pentru meninerea curentului creterea tensiunii trebuie s aib polaritate opus. Coeficientul este destul de mic (), deaceea la calcule practice deobicei se exclude influiena tensiunii colectorului asupra cea a emitorului.

n regim de blocare ambele jonciuni sunt polarizate indirect de ctre tensiunile aplicate din exterior. Modulul tensiunilor trebuie s ntreac valoarea . Dac aceste tensiuni vor fi mai mici atunci tranzistorul va rmne n regim de blocare. ns curenii electrozilor vor fi mai mari, ca n regim de blocare puternic.

innd cont, c tensiunea i au semn negativ, i avnd n vedere c i , relaia (8) devine:

(14)

Substituind n (14) valoarea , gsit din (9), i nlocuind A prin valoarea sa, obinem:

(15)

Dac inem cont de faptul c iar atunci expresia (15) se va simplifica esenial i va avea forma:

(16)

unde

Din (16) se vede c n regimul de blocare curentul colector are valoarea minim care este egal cu curentul unei monojonciuni polarizate indirect. Curentul emitorului are semn opus i esenial mai mic ca curentul colector, aa cum . Deaceea n multe cazuri el se consider egal cu zero.

Curentul bazei n regim de blocare aproximativ este egal cu curentul colector:

. (17)

Acest regim caractreizeaz starea de blocare a tranzistorului, n care rezistena sa este maxim, iar curenii electrozilor sunt minimi. Regimul este utilizat n dispozitivele de impulsuri, unde tranzistorii funcioneaz n regim de cheie electronic.

n regim de saturaie ambele jonciuni ale tranzistorului sunt polarizate direct datorit tensiunii aplicate din exterior. Astfel cderea de tensiune pe tranzistor () este minim iar valoarea lui este de zeci de milivoli. Regimul de saturaie apare atunci cnd curentul colector al tranzistorului este limitat de ctre parametrii sursei de alimentare i de schema n care este amplasat, unde el nu ntrece o valoare maxim . n acelai timp parametrii semnalului de intrare luat astfel nct curentul emitorului este esenial mai mare ca valoarea curentului din reeaua colectorului: .

Atunci jonciunea colectorului este deschis, cderea de tensiune pe tranzistor este minimal i nu depinde de curentul emitorului. Mrimea ei la conectare normal pentru un curent mic este egal cu:

. (18)

Pentru conectarea inversoare:

(19)

n regim de saturaie ecuaia (12) devine fals. Deoarece pentru trecerea tranzistorului din regimul activ n regimul de saturaie este necesar de mrit curentul emitorului (la conectare normal) n aa mod nct s se ndeplineasc condiia . Iar valoarea curentului , la care se ncepe acest regim, depinde de curentul care este determinat de parametrii circuitului n care este amplasat tranzistorul.

9.Parametrii de baz ai tranzistorului KT 3102

Parametrii electrici ai tranzistorului KT 3102:

Coeficientul de transfer al curentului h21:KT 3102100-250KT 3102.200-500

KT 3102.200-500

KT 3102.400-1000

KT 3102200-500

KT 3102.400-1000

Capacitatea jonciunii colectorului Cc.6 (pF)

Constanta de timp a circuitului legturii inverse 100 (psec)

Curentul invers IcB0(IcE0), in A:KT 31020.05(10)

KT 3102.0.05(10)

KT 3102.0.015(10)

KT 3102.0.015(10)

KT 31020.015(10)

KT 3102.0.015(10)Caracteristicile de exploatare limitTensiunea constant colector baz UCB, inV:

KT 310250

KT 3102.50

KT 3102.30

KT 3102.20

KT 310230

KT 3102.20

Tensiunea constant colector emitor UCE, in V:KT 310250

KT 3102.50

KT 3102.30

KT 3102.20

KT 310230

KT 3102.20

Tensiunea constant emitor baz UEB..5(V)Curentul colectorului IC...100(200), mA Puterea constant disipat PC250(mW)10.Utilizarea tranzistorului bipolar KT 3102 n scheme electronice.

Curentul prin borna de conducere a microschemei este stabil, deaceea unirea la el a etajului pe tranzistor ne va permite sa obtinem un amplificator de tensiune cu un coeficient inalt de amplificare. Astfel se va reusi construirea unui modulator simplu pentru o mica statie radio AM. Amplificarea lui e asa, incit la folosirea microfonului BM1 de sensibilitate medie amplitudinea tensiunei de iesire a microschemei va constitui citiva volti. Dar aceasta este de ajuns pentru modularea etajului de iesire a emitatorului. Selectind rezistorul R3 se stabileste la iesirea microschemei tensiune constanta, egala cu jumatate din tensiunea de alimentare. Tranzistorul trebuie sa aiba coeficientul de transfer dupa curent h21>200.

11. Proiectarea unui amplificator de audiofrecventa cu si fara transformatora)Sa se proiecteze un etaj de amplificare in audiofrecventa cu tranzistor bipolar. Sa se lamureasca destinarea fiecarui element al schemei in parte si principiul de functionare al amplificatorului. Datele initiale pentru proiectare sunt indicate in tabelul 1. Tabel1 Varianta Uies.max Rs, Ohm Fj, Hz Mj Ec, V

14 3.4 600 150 1.15 12

Schema pricipiala a etajului de amplificare in audiofrecventa a amplificatorului cu tranzistor bipolar cuplat in ECb)Sa se proiecteze un amplificator de putere dupa schema prezentata in fig. 2. Sa se lamureasca destinarea fiecarui element al schemei in parte si principiul de functionare al amplificatorului. Datele initiale pentru proiectare sunt indicate in tabelul 2. Tabel 2 Varianta Pies., W Rs, Ohm Fj, Hz Mj Ec, V

14 1.5 8 120 1.2 12

Schema pricipiala a etajului de amplificare in putere a amplificatorului cu tranzistor bipolar cuplat in EC

Bibliografie

1. .. .:, 1977.

2. C .. .:, 1977.

3. ..

4. .. .5. , 11/89. 6. InternetB

E

C

U1

I2

U2

IE=20mA

IE

+

UCB

+

UEB

IC

UCE

IB

+

+

UBE

IB

IC

I1

+

+

UEC

UBC

IB

IE

+EC

R2

Ieire

Intrare

R1

IB

+

h

tcre

tmpr

tre

t

Qsat

qB

t

ICBU

ECE / RC

ICsat

iC

IBinv

IBEU

t

EBE / RB

(Uin EBE ) / RB

IBdir

iB

EBE

t

Uin EBE

UBE

x

-

+

+

+

-

IC

UCE

Uie

EC

A

-

x

EC/R2

IB1

-

Rg

-UCE

-UBE

IB=ICo

IB=0

UCE=-5V

UCE=0

IB1>0

IC

IB

V

V

UEB

-UCB

ICBo

IE=0

IE=10mA

UCB=0

UCB=-5V

IE=30mA

IC, mA

IE

RS

Ug

Q

Q

Qacumulare

Qsat

Qtiere

Regim de saturaie

Regim de tiere

B

E

C

PAGE

_1098781618.unknown

_1100862783.unknown

_1100863393.unknown

_1227137575.unknown

_1227139074.unknown

_1227141433.unknown

_1227145000.unknown

_1227139262.unknown

_1227138309.unknown

_1227137551.unknown

_1100865658.unknown

_1100865675.unknown

_1100866259.unknown

_1227090025.psd

_1227044211.vsd

_1100866253.unknown

_1100865666.unknown

_1100863613.unknown

_1100863617.unknown

_1100863410.unknown

_1100863414.unknown

_1100863397.unknown

_1100863377.unknown

_1100863386.unknown

_1100863389.unknown

_1100863382.unknown

_1100862794.unknown

_1100862799.unknown

_1100862791.unknown

_1098781672.unknown

_1100859231.unknown

_1100862195.unknown

_1100862780.unknown

_1100859313.unknown

_1098781680.unknown

_1098781760.unknown

_1100853413.unknown

_1098781758.unknown

_1098781759.unknown

_1098781684.unknown

_1098781676.unknown

_1098781651.unknown

_1098781664.unknown

_1098781667.unknown

_1098781660.unknown

_1098781630.unknown

_1098781637.unknown

_1098781626.unknown

_1098781623.unknown

_1098599898.unknown

_1098604809.unknown

_1098607151.unknown

_1098609329.unknown

_1098610009.unknown

_1098629956.unknown

_1098630593.unknown

_1098631388.unknown

_1098631577.unknown

_1098632022.unknown

_1098632093.unknown

_1098631472.unknown

_1098630907.unknown

_1098631192.unknown

_1098630144.unknown

_1098610194.unknown

_1098610236.unknown

_1098610036.unknown

_1098609489.unknown

_1098609711.unknown

_1098609792.unknown

_1098609569.unknown

_1098609394.unknown

_1098609427.unknown

_1098609342.unknown

_1098608561.unknown

_1098608664.unknown

_1098609022.unknown

_1098608638.unknown

_1098607378.unknown

_1098607675.unknown

_1098607283.unknown

_1098605830.unknown

_1098606952.unknown

_1098607049.unknown

_1098606045.unknown

_1098606394.unknown

_1098606558.unknown

_1098605881.unknown

_1098605217.unknown

_1098605307.unknown

_1098605179.unknown

_1098602770.unknown

_1098603496.unknown

_1098603578.unknown

_1098604651.unknown

_1098603505.unknown

_1098603364.unknown

_1098603485.unknown

_1098602915.unknown

_1098601942.unknown

_1098602498.unknown

_1098602709.unknown

_1098602458.unknown

_1098600095.unknown

_1098600335.unknown

_1098600063.unknown

_1098594870.unknown

_1098598550.unknown

_1098598984.unknown

_1098599576.unknown

_1098598575.unknown

_1098594983.unknown

_1098595016.unknown

_1098594899.unknown

_1098594438.unknown

_940744408.unknown

_940744738.unknown

_940744732.unknown

_940744405.unknown