TRANZYSTORY BIPOLARNE SMK WYKŁAD 8

TRANZYSTORY BIPOLARNE SMK WYKŁAD 8
Na pdstw.: W. Marciniak, WNT 1978, „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”
Tranzystor – element transformujący rezystancję (trioda – 1948 Bardeen, Bratain –
tranzystor ostrzowy). Tranzystor warstwowy = tranzystory bipolarne o strukturze p-n-p lub
n-p-n, w których istotną rolę odgrywają dziury i elektrony. Shockley – tranzystor unipolarny
(trioda półprzewodnikowa) – istotną rolę odgrywa jeden rodzaj nośników. Tranzystor polowy
(FET).
Tranzystor – co najmniej trójkońcówkowy element półprzewodnikowy zdolny do
wzmacniania sygnałów prądu stałego i zmiennego = wzmacniacz (przyrząd umożliwiający
sterowanie większej mocy mniejszą).
Tranzystor – wzmacniacz stosowany do liniowego zwiększania mocy sygnału, jak i
nieliniowego, dyskretnego (skokowego lub kluczującego) sterowania mocy:
- bipolarne
- unipolarne
- jednozłączowe (specjalne)
- tyrystory (specjalne)
1. Podstawowa struktura tranzystora bipolarnego
a). Struktura n-p-n. Polaryzacja złącza pierwotnego w kierunku przewodzenia powoduje
wstrzykiwanie nośników (elektronów) z obszaru N do P będącego wspólną bazą obu złączy.
Elektrony dostarczane do obszaru P jako nośniki mniejszościowe biorą udział w prądzie Is
drugiego złącza spolaryzowanego w kierunku zaporowym. W ten sposób obwód wyjściowy
ma cechy sterowanego źródła prądowego (wszelkie zmiany prądu płynącego przez pierwsze
złącze powodują proporcjonalne zmiany prądu I s drugiego złącza).
1

). Struktura p-n-p. Pierwsze złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia wstrzykuje
dziury do obszau N, skąd są one odbierane przez drugie złącze spolaryzowane w kierunku
zaporowym.
Trzy kolejne warstwy tranzystora nazywane są:
- emiter – pierwsza warstwa, która dostarcza nośników mniejszościowych do drugiej
warstwy,
- baza – druga warstwa,
- kolektor – warstwa zbierająca nośniki wstrzykiwane z emitera do bazy.
2. Konstrukcja i technologia tranzystora bipolarnego
Najważniejsze rodzaje konstrukcji:
- ostrzowe, wyciągane, stopowe, mesa (stopowo-dyfuzyjne), planarne, epitaksjalno-planarne.
Poza epiplanarnymi i stopowymi (duże wartości napięcia przebicia złącza baza-emiter oraz
możliwość realizacji klucza symetrycznego) reszta to historia. Teorię działania tranzystora
bipolarnego wymyślono dla tranzystora stopowego o równomiernym rozkładzie domieszek w
bazie. Przeciwnie, tranzystory epiplanarne mają nierównomierny rozkład domieszek w bazie.
Stąd tranzystory bipolarne:
- tranzystory z jednorodną bazą (bezdryftowe lub dyfuzyjne)
- tranzystory z niejednorodna bazą (dryftowe ze szczątkową dyfuzją) – współcześnie
podstawowy rodzaj
2

Dla działania tranzystora najistotniejsze zjawisko transportu ośników w bazie (dyfuzja lub
unoszenie-dryft). Obie technologie umożliwiają wytwarzanie tranzystorów zarówno p-n-p jak
n-p-n (najczęściej tranzystor Ge stopowy jest typu p-n-p, a krzemowy planarny typu n-p-n.
W bazie tranzystora stopowego N DA =(N D -N A ) jest stałe zaś maleje w funkcji x w bazie
tranzystora epiplanarnego.
Tranzystor epiplanarny jest to tranzystor n-p-n (n ++ ,p + ,n-n ++ ). Podłoże n ++ - bardzo silnie
domieszkowana płytka krzemu o grubości 150 m = nośnik mechaniczny o jak najmniejszej
rezystywności. Na powierzhni podłoża osadza się słabo domieszkowaną warstwę epit. n, w
której wykonuje się obszary emitera i kolektora.
3

W procesie dwukrotnej dyfuzji lokalnej wytwarza się najpierw warstwę p + (obszar bazy), a
następnie warstwę typu n ++ (obszar emitera i kolektora). Po dyfuzji rozkład koncentracji
domieszek jest prawie wykładniczo malejący; koncentracja akceptorów w bazie zmienia się
od 5*10 23 m -3 na granicy B-E do ok. 5*10 20 m -3 na granicy B-C. następnie naparowuje się
4

metal (Al) na całą powierzchnię płytki, po czym wytrawia się go tak, by powstały ścieżki
metalizacji w obszarach kontaktów z emiterem, bazą i kolektorem.
W ten sposób na jednej płytce jednocześnie wykonuje się kilka tysięcy jednakowych
tranzystorów.
Mikromontaż (po cięciu) – przylutowanie mikropłytki do podstawki odpowiedniej obudowy,
wykonanie cienkim drutem (Au, 25 m) połączeń pól kontaktowych z przepustami i
hermetyczne zamknięcie obudowy.
3. Podstawowe zasady funkcjonowania tranzystora bipolarnego.
Przy polaryzacji złącza EB w kierunku przewodzenia i złącza BC w kierunku zaporowym
tranzystor spełnia rolę elementu czynnego. Obraz zjawisk w takim tranzystorze przedstawia
rys. 5.11:
Wskutek polaryzacji złącza EB (kier. Przewodzenia) z emitera do bazy wstrzykiwane są
elektrony. W bazie istnieje tzw. wbudowane pole elektryczne (nierównomierny rozkład
koncentracji domieszek E→C), przeciwdziałające dyfuzji dziur skierowane od potencjału
dodatniego przy C do potencjału ujemnego przy E. Elektrony z emitera są unoszone przez
Ewb w kierunku kolektora. Po przejściu przez bazę dostają się one do warstwy zaporowej
złącza BC, w której istnieje silne pole wymiatające te elektrony do obwodu kolektora.
Strumień elektronów wstrzykiwanych z emitera do bazy – prąd emitera w obwodzie
wejściowym; strumień elektronów odbieranych przez kolektor = strumieniowi elektronów
wstrzykiwanych przez emiter = f 1 (U EB ), ≠f 2 (U CB ) => I C =I E , współczynnik wzmocnienia
prądowego N =I o /I I =1.
Tranzystor jest spolaryzowany z baterii U EE i U CC (powodują przepływ prądów I E i I C ), w
obwodzie wejściowym włączone jest źródło e g małego sygnału sinusoidalnego i e o
5

amplitudzie I em , który powoduje przepływ prądu sinusoidalnego i c o amplitudzie I cm w
obwodzie wyjściowym. Moc sygnału sinusoidalnego na wejściu i wyjściu tranzystora:
2
2
Pi
Iemri
; Po
IcmRL
Maksimum mocy w obciążeniu – spełnienie warunku dopasowania r o =R L ,
2
Po
I
cmro
2 ro
ro
k
p
2
Pi
I
emri
ri
ri
r o /r i wynosi kilka tysięcy, gdyż r i jest małą rezystancją przyrostową złącza EB
spolaryzowanego w kier. Przewodzenia, r o – bardzo duża rezystancja przyrostowa złązca BC
spolaryzowanego w kier. Zaporowym – kilkaset k. Tak więc tranzystor jest elementem
transformującym rezystancję i wzmacniaczem mocy.
Dokładniejszy model zjawisk wewnątrz tranzystora musi uwzględniać rekombinację
nośników w bazie. W obszarze bazy słuszna jest zasada obojętności elektrycznej całego jej
obszaru.
Jeśli w pewnej chwili z emitera do bazy wpływa 100 elektronów to ładunek ujemny
tych elektronów przyciąga z najbliższego sąsiedztwa 100 dziur. Niedomiar tych dziur w
sąsiedztwie uzupełaniany jest przez przepływ dziur z następnych obszarów bazy, aż 100 dziur
wpływa z obwodu zewnętrznego prze elektrodę bazy. Proces równoważenia się ładunków w
bazie zachodzi w czasie =10 -11 ...10 -13 s (natychmiast).
Jeśli z emitera do bazy wpływa 100 elektronów, a szybkość rekombinacji par elektrondziura
=1para/s, to w pierwszej sekundzie z emitera do bazy wpływa 100 el. i w tym samym
czasie przez elektrodę bazy do obwodu zewnętrznego wypływa 100 el. (do obszaru bazy
wpływa 100 dziur). Tak, więc w chwili włączenia tranzystora I E =I B – stan nieustalony.
Stan ustalony – w 1 s z emitera wpływa do bazy 100 el., wypływa 99 elektronów do
kolektora, jeden elektron rekombinuje z dziurą. Prąd kolektora w stanie ustalonym < prądu
emitera. Z zewnętrznego obwodu do bazy wpływa strumień dziur uzupełniających straty
ładunku dodatniego spowodowane rekombinacją – prąd bazy I B .
Podstawowe równania prądów w tranzystorze:
I
E
I
B
IC
I
E
I
B
I
C
bilans obowiązujący tranzystory n-p-n oraz p-n-p.
tranzystor tym lepszy (większe wzmocnienie) im mniej nośników rekombinuje w bazie. W
dobrym tranzystorze:
I C ≤I E ; I B

I pE – składowa prądu dyfuzji dziur z bazy do emitera gdzie rekombinują z elektronami
(jednakowy wkład do prądu emitera i prądu bazy; tylko w złączu niesymetrycznym n ++ -p +
strumień dyfuzji dziur z bazy do emitera

4. Rozkład nośników nadmiarowych w bazie
Szerokość efektywna bazy, W B – odległość pomiędzy prawą krawędzią warstwy zaporowej
EB i lewą krwędzią warstwy zaporowej CB. Równanie prądu elektronów w bazie:
J q n E qD dn / dx (*) (składowe unoszenia i dyfuzji)
n
n
b
n
b
a) jeśli pominiemy składową dyfuzyjną – tranzystor dryftowy - J q n E
n
n
b
W stanie ustalonym: J n =const=J E
E
N
E
n
Wb
Wb
b
A
|
J
n
T
1
N
( x)
N
T
| W
A
A
B
dN
dx
(0)exp( x
/ W
B
A
/ W ;
/ qD
n
kT
; T
q
n
b
B
J
nWB
q
); ln[ N
n
T
A
(0) / N
( W )]
stala wartosc w calej
A
B
bazie
b) jeśli pominiemy składową unoszenia – tranzystor bezdryftowy
J qD dn / dx
n
n ( W
b
b
B
n
J
n
x
nb
( x)
C;
qD
n ( x)
|
J
J
nW
)
qD
n
n
b
n
B
| ( W
B
C n (0) n
C 0;
x) / qD
) 0
2
ni
nb
(0) n
p0 (0)exp U
EB
/ T
exp( U
EB
/ T
)
N
A(0)
Porównajmy koncentrację w obu typach tranzystorów dla jednakowego prądu bazy:
n ( x) | (1
x / W ) n ( x) | ; dla x 0 :
n
b
b
(0) |
dyf
dyf
n
(0) |
b
dryft
B
b
b
b
n
b
b
( W
J
nW
C
qD
n
n (0)(1 x / W )
dryft
; dla n (0) const : J
B
B
n
|
B
dryft
J
W porównywalnych tranzystorach bezdryftowym i dryftowym (jednakowe koncentracje
domieszek w emiterze i bazie dla x=0), przy jednakowych napięciach U EB prąd emitera jest
razy większy w tranzystorze dryftowym.
Liniowa zależność n b (x) dla tranzystora z jednorodną bazą (bezdryftowy) ulega tylko
nieznacznej zmianie po uwzględnieniu zjawiska rekombinacji nośników w bazie.
Dokładniejszy rozkład koncentracji nośników nadmiarowych w bazie tranzystora dryftowego
uzyskuje się rozwiązując równanie prądu w postaci ogólnej (unoszenie + dyfuzja).
n
|
dyf
8

c). unoszenie i dyfuzja
dy
E
Py Q;
P ;
dx
/ qD
y(
x)
[( Q / P)(exp(
Px 1)
C]exp(
Px);
C
n
T
Q J
| J
n
| WB
nb
( x)
{1 exp[
(1 x / WB
)]}
qD
n
n
;
y n
b
(**)
y(
W
B
) 0;
Prąd unoszenia przeważa nad prądem dyfuzji. Tylko w obszarze bazy sąsiadującym z
kolektorem prąd dyfuzji odgrywa istotną rolę.
5. Współczynnik wzmocnienia prądowego, N
Znając rozpływ prądów w tranzystorze można określić zależność współczynnika
wzmocnienia prądowego N od parametrów materiałowych i punktu pracy:
IC
IC
I
nE
N
; I
nE
prad elektronow na poczatku bazy;
e
I
nE
/ I
E;
b
IC
/ I
nE
I I I
E
nE
E
e – współczynnik sprawności wstrzykiwania emitera (jaka część całkowitego prądu emitera
stanowi strumień nośników wstrzykiwanych do obszaru bazy),
b – współczynnik transportu (rekombinacji w bazie) – jaka część strumienia elektronów
wstrzykiwanych do bazy jest odbierana przez kolektor.
9

I
N
e
b;
e
I
nE
E
I
nE
I
I
nE
pE
I
rEB
(1 K L)
1
Dp
N
; K
D
AB
n
W (1 e
N
B
DE
W
1 N
ABWBWEB
(1 e ) U
EB
L
exp( ) (***)
2 niDn
2T
Wnioski:
- pożądane jest, aby e ~1 ( e

słabsze i rośnie czas przelotu). W tranzystorach wysokoczęstotliwościowych zwiększanie się
czasu przelotu – wzrost efektywnej szerokości bazy – efekt Kirka.
6. Zakresy pracy i układy włączania tranzystora bipolarnego
Opis funkcjonalny – zestaw równań wiążących napięcia i prądy na końcówkach elementu.
Ogólne relacje pomiędzy potencjałami poszczególnych elektrod tranzystora:
U C >U B >U E dla tranzystora n-p-n
U C

Konfiguracja tranzystora (baza jedną z końcówek wejściowych, kolektor jedną z końcówek
wyjściowych):
- wejście E,B, wyjście B,C – układ ze wspólną bazą (WB)
- wejście B,E, wyjście E,C – układ ze wspólnym emiterem (WE)
- wejście B,C, wyjście C,E – układ ze wspólnym kolektorem (WC)
Schemat działania tranzystora: „Elektrony wstrzykiwane są z emitera do bazy...” obowiązuje
niezależnie od układu włączenia. Różnice charakterystyk i parametrów w poszczególnych
układach włączenia są skutkiem różnych punktów widzenia.
I E =I C +I B , N =I C /I E , N =I C /I B
WB:
WP=I C /I E = N
WE:
WP=I C /I B = N
WC:
WP=I E /I B =(I C +I B )/I B = N +1
Wzmocnienie prądowe zmienia się w zależności od układu włączenia od N do N +1 czyli od
jedności do kilkuset.
7. Praca nieliniowa statyczna (modele, charakterystyki, parametry)
12

Opis tranzystorów:
a) schematy zastępcze (dokładna analiza numeryczna),
b) charakterystyki (uproszczona analiza graficzna),
c) kilka podstawowych parametrów (proste obliczenia szacunkowe).
Praca tranzystora:
- nieliniowa (statyczna, dynamiczna)
- liniowa (dla małych sygnałów małej i dużej częstotliwości).
7.1. Modele nieliniowe statyczne
Tranzystor składa się z dwóch złączy połączonych szeregowo przeciwstawnie (n-p, p-n).
Najprostszy model tranzystora – połączenie dwóch diód (rys. 5.26a). Prądy płynące przez te
diody związane są z napięciami:
I I [exp( U / ) 1];
I I [exp( U / ) 1]
dE
Es
EB
T
dC
Cs
CB
T
Taki model ma sens, gdy wzajemne oddziaływanie złączy jest do pominięcia
(polaryzacja złączy w kier. zaporowym – zakres zatkania).
Gdy tranzystor pracuje w zakresie normalnym, to przez złącze BC płynie nie tylko
prąd wsteczny tego złącza, lecz również prąd nośników wstrzykiwanych przez złącze EB,
czyli prąd N I dE równolegle do diody BC (rys. 5.26b).
W przypadku pracy tranzystora w zakresie nasycenia oraz inwersyjnym kolektor
również wstrzykuje nośniki do bazy, które wpływają na wartość prądu płynącego w złączu
EB (włączenie źródła I I DC równolegle do diody EB. Wzmocnienie inwersyjne I w kierunku
inwersyjnym

Ponieważ udowodnili oni, że N I Es = I I Cs , liczbę parametrów można zmniejszyć do trzech.
Model Ebersa-Molla stosowany jest w dwóch wariantach:
- zmienne niezależne – prądy wstrzykiwane przez emiter i kolektor (model iniekcyjny)
- zmienne niezależne – prądy zbierane przez kolektor i emiter (model transportowy).
I
E
I
N
/ I
N
I
;
I
C
I
N
I
/ ;
I
N
N
I
Es[exp(
U
EB
/ T
) 1];
I
I
I
ICs[exp(
U
CE
/ T
) 1]
Dokładność powyższego modelu uproszczonego można zwiększyć uwzględniając:
- zależność współczynników N , I od prądu emitera i kolektora oraz od napięć polaryzacji
obu złączy,
- istnienie rezystancji szeregowych emitera, bazy i kolektora doprowadzeń i obszarów poza
warstwami zaporowymi),
- korekcję zależności wykładniczych przez wprowadzenie współczynnika m≠1:
I [exp(
U / m
) 1]
I
I
T
7.2. Charakterystyki statyczne.
Stan statyczny (punkt pracy) tranzystora traktowanego jako czwórnik nieliniowy opisywany
jest czterema wielkościami: prądem i napięciem wejściowym I 1 , U 1 oraz prądem i napięciem
wyjściowym I 2 , U 2 . Zmiana każdej z tych wielkości powoduje zmiany trzech pozostałych.
Istnieje możliwość wyboru dwóch zmiennych niezależnych i obserwacji ich wpływu na
pozostałe dwie = równanie czwórnika (12). Praktyczne znaczenie mają 3 pary rówań:
- impedancyjne:
U 1 =f(I 1 , I 2 ); U 2 =f(I 1 , I 2 );
- admitancyjne:
I 1 =f(U 1 , U 2 ); I 2 =f(U 1 ,U 2 );
- mieszane:
U 1 =f(I 1 ,U 2 ); I 2 =f(I 1 ,U 2 ).
Najbardziej dogodny zestaw – równania mieszane.
14

Charakterystyki statyczne – związek wielkości zależnej i jednej z dwóch niezależnych przy
stałej wartości drugiej wielkości niezależnej traktowanej jako parametr.
- charakterystyki wejściowe U 1 =f(I 1 ) U 2 =const,
- charakterystyki zwrotne napięciowe U 1 =f(U 2 ) I 1 =const,
- charakterystyki przejściowe prądowe I 2 =f(I 1 ) U 2 =const,
- charakterystyki wyjściowe I 2 =f(U 2 ) I 1 =const
Dla każdej konfiguracji tranzystora WB, WE, WC) wielkości I 1 , I 2 , U 1 , U 2 oznaczają zupełnie
inne prądy i napięcia.
a) charakterystyki statyczne w układzie WB
I 1 =I E , U 1 =U EB , I 2 =I C , U 2 =U CB .
Interesują nas następujące rodziny charakterystyk:
U EB =f(I E ,U CB ): U EB =f(I E )|U CB – wejściowa, U EB =f(U CB )|I E – zwrotna
I C =f(I E , U CB ), I C =f(I E )|U CB – przejściowa, I C =f(U CB )|I E – wyjściowa.
Wszystkie rodziny charakterystyk pokazuje rys. 5.29.
15