J.Boušek 2

UMEL FEKT VUT V BRNĚ

J.Boušek / Elektronické součástky / P6

Technologie výroby bipolárního tranzistoru


Diskrétní tranzistor

slitinová

Kolektor = substrát

difúzní

EPITAXNÍ

Integrovaný tranzistor MESA

FEKT VUT v Brně

Ponořený kolektor (utopený, burried)

ESO / P7 / J.Boušek

1

FEKT VUT v Brně



2

Zapojení s bipolárním tranzistorem

Plastová pouzdra – standardní , možnost koroze Kovová pouzdra hermetické uzavření, menší tepelný odpor Čtvrtý vývod u vf tranzistorů – stínění

emitor

FEKT VUT v Brně


báze

3

FEKT VUT v Brně

BT – proudové zesílení v zapojení SB Proudový zesilovací činitel pro zapojení SB

α=

∆I C ∆I E U = konst. CE

proudový zesilovací činitel pro zapojení SE

β=

α=

∆I C ∆I B U = konst. CE

∆I C ∆I C ∆I C / ∆I E α = = = ∆I B ∆I E − ∆I C (∆I E − ∆I C ) / ∆I E 1−α

β

Velikost proudového zesilovacího činitele je závislá na pracovním bodě tranzistoru a teplotě (rozdíl až 100%).

γE - injekční účinnost emitoru (NAE >> NDB pro PNP ) αT - bázový transportní součinitel (Tenká báze + plocha kolektoru + malá rekombinace nosičů v bázi + vzdálený kontakt báze) MC - kolektorový multiplikační součinitel (využití lavinového jevu) ESO / P7 / J.Boušek

β=

1+ β

∆I Ep ∆I Cp ∆I Cn +∆I Cp ⋅ ⋅ =γ E α T M C ∆I En +∆I Ep ∆I Ep ∆I Cp

FEKT VUT v Brně

4

BT – proudové zesílení v zapojení SE

∆I ∆I +∆I Cp ∆I Cn +∆I Cp ∆I Ep ∆I Cp α = C = Cn = ⋅ ⋅ ∆I E ∆I En +∆I Ep ∆I En +∆I Ep ∆I Ep ∆I Cp

α=


Proudové zesilovací činitele určené ze střídavých hodnot a stejnosměrných hodnot se liší !!!!

∆I C I C ≠ ∆I B I B

5

FEKT VUT v Brně

1

(Rozdíl lze obvykle (!!) zanedbat.) ESO / P7 / J.Boušek

6


J.Boušek / Elektronické součástky / P6 Bipolární tranzistor - vliv ICB0

BT – označení napětí a proudů

ICB0 - závěrný proud přechodu BC, nezávisí na proudu emitoru a při konstantní teplotě téměř nezávisí na napětí uCE. Při odpojené bázi protéká ICB0 z báze do emitoru: - způsobí úbytek napětí na přechodu BE - zmenšení potenciálové bariéry (UD-UBE) difúze nosičů z emitoru Celkový proud: ICE0 = (1 + β)ICB0 ≈ β ICB0

při odpojené bázi

IC = β IB + (1 + β)ICB0 = β IB + ICE0

pro SE

IE = IC + IB = (1 + β) (IB + ICB0) ≈ (1 + β) IB + ICE0 IC = αiE + ICB0

pro SC

pro SB (základ modelu podle Eberse a Molla)

ICB0 - obvykle zanedbáváme u zesilovačů (u Si velmi malý) ICB0 - ovlivňuje průrazné napětí u spínače s BT !!!!!!!!!!!!!!!!!!! FEKT VUT v Brně


7

FEKT VUT v Brně

BT - statické charakteristiky v zapojení SE Proudová převodní charakteristika:

Výstupní charakteristika:

iC = f(iB) ; uCE = konst.

iC = f(uCE) ; iB = konst.


8

Bipolární tranzistor – Earlyho jev Přechod BC se rozšiřuje směrem do báze

koncentrace min. nosičů v bázi

Efektivní šířka báze se zmenšuje

depletiční vrstva

uCB1

0

w

Účinnější odsávání nosičů: proud IC roste = vzrůst ß

x

koncentrace min. nosičů v bázi

depletiční vrstva

uCB1 < uCB2



β ef − β 1 + 0

w

a)



x

uCE   UE 

iC iB

Výstupní odpor klesá:

b)

Vstupní charakteristika:

Zpětná napěťová převodní charakteristika:

iB = f(uBE) ; uCE = konst.

uBE = f(uCE) ; iB = konst.

FEKT VUT v Brně

uE


9

FEKT VUT v Brně

Normální a inverzní režim BT

Normální režim

Difúze z kolektoru

Difúze z emitoru

Emitor odsává

Kolektor odsává

U E + uCE U E + uCE − iC I CB 0 + α i N E


10

velké proudové zesílení

Tranzistory BC xxx : IBopt ∼ 0,1 mA ; UECO ≤

Difúze nosičů je řízená velikostí potenciálové bariéry (UD - UBE): - řízení napětím je nelineární + závislost na teplotě - řízení proudem je lineární, teplotní závislost je menší V obvodové technice s BT FEKT VUT v Brně

RCE −

BT jako spínač v inverzním zapojení

Inverzní režim

malé saturační napětí

uCE

Průrazné napětí přechodu EB je u všech BT tranzistorů malé (!!!): - UBREB ≤ 7V - velká dotace emitoru (!!!)

řízení proudem !!!!!!!!


1 mV.

11

FEKT VUT v Brně

2


12



Mezní parametry bipolárního tranzistoru

Mezní parametry bipolárního tranzistoru

Využitelná oblast charakteristik tranzistoru je omezena: Maximální kolektorovou ztrátou PCmax (maximální dovolenou teplotou přechodu a chlazení) Maximálním kolektorovým proudem ICmax (konstrukce struktury tranzistoru, dovolené oteplení) Maximálním kolektorovým napětím UCEmax (lavinový průraz kolektoru)

SOA [Safe Operating Area] - proud v logaritmickém měřítku - dovolené impulsní přetížení

FEKT VUT v Brně


13

FEKT VUT v Brně

Průrazy struktury BT- první průraz


14

Průrazy struktury BT- první průraz

Lavinová nárazové ionizace - první průraz: U(BR)CBO – přechod BC, odpojený emitor U(BR)CEO – s odpojenou bází

U(BR)CEO << U(BR)CBO !!!!!

Vliv ICB0 (+teploty,+ β): IC = β IB + (1 + β)ICB0 = β IB + ICE0 ICB0

roste lavinovou ionizací

kladná zpětná vazba !!!

Vliv ICB0 (+ teploty,+ β) potlačíme: - zapojením RBE - zkratováním přechodu EB - záporným předpětím UEB (malý vliv u PNP) FEKT VUT v Brně

Závislost na zapojení obvodu báze

U(BR)CER U(BR)CES U(BR)CEU


Označení průrazných napětí 15

FEKT VUT v Brně

Průrazy struktury BT – druhý průraz

Proudový druhý průraz = překročení kritického proudu Příklad : Vypínání tranzistoru v obvodu s indukční zátěží:

∆U L = L

Nerovnoměrné rozložení proudu pod emitorem: - nejvyšší hustota proudu u okraje - teplo je odváděno do okolí - nejvyšší hustota proudu uprostřed - tepelně generovaný proud zvýšení proudu IC kladná zpětná vazba nahradí lokálně IB

∆I L ∆t

∆U L ≈ 1mH

1A ≈ 103V 1µs

Napětí UCE rychle roste při velkém proudu IC : - lavinová ionizace přestože UCE < U(BR)CEO - nosiče pronikají do emitoru (díry u NPN, elektrony u PNP) - lokální zvýšení proudové hustoty tepelný průraz

Řešení: Zmenšení tloušťky emitoru uprostřed emitoru (= zvětšení šířky báze) zlepšení podmínek pro odvod tepla ESO / P7 / J.Boušek

16

Průrazy struktury BT – druhý průraz

Tepelný druhý průraz = lokální tepelný průraz: - v aktivní pracovní oblasti při velkém závěrném proudu - zvýšení teploty vede ke zvýšení proudové hustoty - nerovnoměrné rozdělení proudové hustoty - horké místo koncentruje proud - kladná zpětná vazba vede ke vzniku tepelného průrazu

FEKT VUT v Brně


Řešení: - zpomalení nárůstu kolektorového napětí - odlehčovací obvody RC, (DRC, RLC, DRLC ….)

17

FEKT VUT v Brně

3


18



Bezpečná pracovní oblast - SOA

Modely bipolárního tranzistoru

Nelineární modely – při zpracování velkých signálů - chování tranzistoru ve všech režimech - ve velkém rozmezí proudů a napětí - libovolná polarita proudů a napětí Lineární modely - při zpracování malých signálů: - diody nahradíme jejich diferenciálním odporem - modeluje funkci tranzistoru v daném pracovním bodě - pro jiný pracovní bod je nutné parametry modelu změnit

FEKT VUT v Brně


19

FEKT VUT v Brně

Ebersův – Mollův model bipolárního tranzistoru


E–M model BT – náhradní schéma

IC = αIE + ICB0

Základní

ICB0 závěrný (zbytkový) proud - nezávisí na IE a UCE. Pomocí Shockleyho rovnice :

Rozšířené

   U  U I C =α N I ES  exp BE −1− I CS  exp BC −1 UT  UT   

αN

v normálním režimu

 U    U I E = I ES  exp BE −1−α I ICS  exp BC −1 UT  UT   

αI

v inverzním režimu

Earlyho jev

I B = I E − IC

kapacity přechodů

UBE , UBC kladná v propustném směru Ebers a Moll pro zapojení SB (1954) FEKT VUT v Brně

odpory přívodů

αN , αI , ICS , IES


21

FEKT VUT v Brně

iC =α N iEN

Odvození IES a ICS : IC = 0,


22

Zjednodušené modely BT (podle E–M)

Ebersův – Mollův model bipolárního tranzistoru

IE = 0,

20

iB = (1−α N )iEN

iE =−iEN

UCB > 0, UCB >> UT ⇒ IC = ICB0 UEB > 0, UEB >> UT ⇒ IE = - IEB0

Po dosazení:

I CS −

I CB 0 1 − αNαI

αN a αI

I ES −

I EB 0 1 − αNαI Malý signál (ic) :

výpočtem z βN a βI

ic = Is exp(uBE/UT) ;

závislost βN na proudu IC - pracuje pouze v určitém rozmezí IC - pro větší rozsah αN βN = f(iC) !!!!!! FEKT VUT v Brně


uBE = UT ln(iC /Is).

Nejjednoduší model (odhad pracovního bodu) 23

FEKT VUT v Brně

4


24



Lineární a linearizované modely BT

Modely BT vycházející ze čtyřpólových parametrů

Při zpracování malých signálů: - diody nahradíme jejich diferenciálním odporem - modeluje funkci tranzistoru v daném pracovním bodě - pro jiný pracovní bod je nutné parametry modelu změnit Derivací IEN podle UBE E-M model ∆I EN = I EN

∆U BE ∆U BE ≈ UT rE

ge =

Tranzistor je modelován jako dvojbran. Hybridní parametry:

u 1 = h11 i1 + h12 u 2

i 2 = h 21 i1 + h 22 u 2

pro zapojení SE

T- modely:

∆I EN I EN 1 = ≈ ∆U BE U T rE

h11e = rB = UT /IB

(vstupní odpor)

h22e = 1/rC = IC /(UE + UCE)

(výstupní vodivost) UE je Earlyho napětí (proudový zesilovací činitel) (zpětný napěťový přenos)

h21e = β h12e - z katalogu, nebo změřit

h21e ≈ ∆IC /∆IB je parametr v hybridních rovnicích !!!! h21E ≈ IC /IB je statický proudový zesilovací činitel !!!! FEKT VUT v Brně


25

FEKT VUT v Brně


Admitanční parametry

vstupní impedance při výstupu nakrátko: zpětný napěťový činitel při vstupu naprázdno: proudový zesilovací činitel při výstupu nakrátko:

h12 −

U1 U2

h21

I − 2 I1

h22 −

výstupní admitance při vstupu naprázdno: FEKT VUT v Brně

U1 I 1 U − konst. 2

I2 U2

y11e = 1/ h11e = 1/ rB = IB/UT

(vstupní vodivost)

y22e = 1/rC = h22e

(výstupní vodivost)

y21e = ∆IC / ∆UBE ; pro UBE = ∆IB . rB = ∆IB . 1/y11e = ∆IC /β . 1/y11e y 21e ≈

I1 − konst.

∆I C

(∆I C / β )(. 1 / y11e )

= β . y11e

(strmost převodní charakteristiky)

Pro oblast nízkých kmitočtů (neuplatní se parazitní kapacity): y21e = β . y11e = β /.rB = 1 /.rE = IE / UT

U 2 − konst.

I1 − konst.


i1 = y 11 u 1 + y 12 u 2

i 2 = y 21 u 1 + y 22 u 2

Pro zapojení SE

Malá písmena !!!!

h11 −

26


(hybridní parametry) Diferenciální parametry čtyřpólu ( hij ): - mají význam derivací - získáme z charakteristik nebo měřením


y12e - z katalogu, nebo změřit 27

FEKT VUT v Brně



(„zpětná vodivost“) 28

Giacolletův model BT

(admitanční parametry)

Frekvenčně nezávislý popis funkce tranzistoru: - kapacity mezi elektrodami, sériový odpor Rbb’. - zesilovací schopnosti gm (≈y21), vstupní a výstupní vodivost

1) Admitance v daném pracovním bodě jsou frekvenčně závislé: nutné stanovit pro každý použitý kmitočet zvlášť 2) Dosazením UT ≈ 25 mV a IE ≈ IC : y21e = IE / UT = IE / 25 mV ≈ 40 [V-1]IE ≈ 40 IC [S] 3) ge v T-modelu lze přepočítat (β ≥ 40):

y 21e ≈ g e

( y21e

≈ g e ) ≈ 40 I C 0

FEKT VUT v Brně

y11e ≈ ,

ge

h21e ≈ β

β

resp.


Proud přes kapacitu Cb‘c se odčítá od vstupního proudu: - do přívodu báze vtéká větší proud než do “vnitřní báze” (IBE) - větší UBE úbytek IB . Rbb’ proud IBE se zvětší nepatrně - vysoký mezní kmitočet zmenšováním Rbb’ . Cb‘c

U 25 mV re ≈ − T I C0 I C0 29

FEKT VUT v Brně

5


30

J.Boušek 2

Recommend Documents