STUDIUL TRAZISTOARELOR BIPOLARE
A.1. TRANZISTOARE BIPOLARE - GENERALITĂŢI
A.1.1 STRUCTURA ŞI SIMBOLUL TRANZISTORULUI BIPOLAR
Tranzistorul bipolar – este un dispozitiv electronic realizat din material semiconductor,
format din trei regiuni (EMITOR, BAZĂ, COLECTOR) separate prin două joncţiuni pn.
În funcţie de tipul regiunilor, tranzistoarele bipolare se împart în două categorii:
Figura A.1.1 Strctura şi simbolul tranzistorului bipolar
Tranzistorul bipolar de tip NPN este format din două regiuni N separate de o regiune P
Tranzistorul bipolar de tip PNP este format din două regiuni P separate de o regiune N
Regiunea bazei este mai subţire şi mai slab dopată în comparaţie cu regiunea emitorului(puternic dopată) şi cu regiunea colectorului( dopată moderat)
Între două regiuni învecinate se formează o joncţiune. Între bază şi emitor este joncţiunea bază-emitor, iar între bază şi colector este joncţiunea bază-colector
Fiecare regiune are ataşată câte un terminal care se notează cu E(emitor) , B(bază), C(colector).
În structura tranzistorului bipolar, purtătorii de sarcină electrică sunt atât golurile cât şi electronii. Deoarece conducţia este realizată de două tipuri de purtători, tranzistorul se numeşte bipolar.
Figura A.1.2 Secţiunea de principiu printr-un tranzistor
A.1.2 FUNCŢIONAREA TRANZISTORULUI BIPOLAR
Un tranzistor bipolar funcţionează corect, dacă joncţiunea bază-emitor este polarizată direct cu o tensiune mai mare decât tensiunea de prag, iar joncţiunea bază-colector este polarizată invers cu o tensiune mult mai mare decât tensiunea bază-emitor.
Emitorul este sursa de purtători care determină curentul prin tranzistor, iar colectorul colectează purtătorii ajunşi aici. Baza controlează curentul prin tranzistor în funcţie de valoarea tensiunii de polarizare a joncţiunii bază-emitor.
Joncţiunea emitor-bază (polarizată direct) injectează un curent de emitor IE care este colectat în cea mai mare parte de joncţiunea colector-bază (polarizată invers), acest proces definind efectul de tranzistor.
Tranzistorul bipolar transferă curentul din circuitul de intrare de rezistenţă mică, în circuitul de ieşire de rezistenţă mare, de unde denumirea TRANSFER REZISTOR ⇔ TRANZISTOR.
a.Funcţionarea tranzistorului NPN.
Figura A.1.3 Prezentarea funcţionarii tranzistorului NPN
Regiunea de tip n a emitorului este puternic dopată cu electroni liberi. Regiunea de tip p a bazei este foarte subţire şi slab dopată cu goluri. Prin polarizarea directă a joncţiunii BE electronii din regiunea emitorului difuzează cu uşurinţă prin joncţiunea BE către regiunea bazei. Aici un procent foarte mic de electroni se combina cu golurile din bază şi formează curentul de bază. Prin polarizarea inversă a joncţiunii BC majoritatea electronilor difuzează prin joncţiunea BC şi sunt atraşi către regiunea colectorului de către tensiunea de alimentare a colectorului, formându-se astfel curentul de colector.
b. Funcţionarea tranzistorului PNP.
La acest tip de tranzistor purtătorii majoritari sunt golurile.
Figura A.1.4 Prezentarea funcţionarii tranzisorului PNP
Regiunea de tip p a emitorului este puternic dopată cu goluri. Regiunea de tip n a bazei este foarte subţire şi slab dopată cu electroni. Prin polarizarea directă a joncţiunii BE golurile din regiunea emitorului difuzează cu uşurinţă prin joncţiunea BE către regiunea bazei. Aici un procent foarte mic de goluri se combina cu electronii din bază şi formează curentul de bază. Prin polarizarea inversă a joncţiunii BC majoritatea golurilor difuzează prin joncţiunea BC şi sunt atraşi către regiunea colectorului de către tensiunea de alimentare a colectorului, formându-se astfel curentul de colector.
A.1.3PARAMETRII ŞI CARACTERISTICILE TRANZISTORULUI BIPOLAR
a. Parametrii tranzistorului bipolar
a1. Factorul de amplificare al tranzistorului
Factorul de amplificare în curent din bază în colector (βcc) – reprezintă raportul dintre curentul continuu prin colector (Ic) şi curentul continuu prin bază
β este o mărime statică de curent continuu, care indică de câte ori este mai mare curentul prin colectorul tranzistorului decât curentul prin baza tranzistorului. Acest parametru mai poartă denumirea de câştig în curent al tranzistorului.
Valoarea acestui parametru este menţionat de către producător în foile de catalog, ca parametru echivalent hibrid HFE
Valorile parametrului β sunt cuprinse între 10 şi 1000, în funcţie de tipul tranzistorului.
Factorul de amplificare în curent din emitor în colector (∝CC)– reprezintă raportul dintre curentul continuu prin colector (Ic) şi curentul continuu prin emitor (IE)
Acest parametru este întotdeauna subunitar deoarece curentul de colector (Ic) este întotdeauna mai mic decât curentul de emitor (IE) .
Valorile paramentului α sunt cuprinse între 0,95 şi 0,99 în funcţie de tipul tranzistorului.
Între parametrii β şi α sunt următoarele relaţii :
a2. Valorile maxime absolute
Sunt valori care nu trebuie depăşite în timpul funcţionării tranzistorului, deoarece pot produce defectarea acestuia. De regulă în această grupă apar:
Tensiunile maxime între terminale: VCBO, VCEO, VEBO
Curentul maxim de colector şi de bază: ICM , IBM
Puterea maximă disipată: Ptot
Temperatura maximă a joncţiunii: TjM(este cuprinsă între 175°C şi 200°C)
În practică se recomandă încărcarea tranzistorului la cel mult 0,75 din valorile de catalog ale acestor parametrii.
b. Caracteristicile tranzistorului bipolar.
b1. Caracteristicile electrice
Figura A.1.5 Curenţii şi tensiunile tranzistorului
În cataloagele de tranzistoare sunt prezentate caracteristica de intrare şi caracteristica de ieşire, deoarece aceste caracteristici sunt mai importante. Pe caracteristica de ieşire se pot delimita regiunile de funcţionare a tranzistorului şi se poate trasa dreapta de sarcină.
Figura A.1.6 Caracteristica de ieşire a tranzistorului bipolar în conexiunea EC
În regiunea de blocare tranzistorul funcţionează în regim de blocare (tăiere):
Joncţiunea bază – emitor este polarizată invers (sau direct cu o tensiune mai mică decât tensiunea de prag)
Joncţiunea bază – colector este polarizată invers
Curenţii prin tranzistor sunt foarte mici, practic Ic=0
Tensiunea de ieşire are valoare mare, practic VCE=VCC
Tranzistorul se comportă ca un întrerupător deschis
În regiunea de saturaţie tranzistorul funcţionează în regim de saturaţie:
Joncţiunea bază – emitor este polarizată direct
Joncţiunea bază – colector este polarizată direct
Curentul prin colector atinge o valoare apropiată de valoarea maximă posibilă Ic(sat)‹ β∙IB
Tensiunea de saturaţie este forte mică VCE(sat)= 0,2 – 0,3 V
Tranzistorul se comportă ca un întrerupător închis
În regiunea activă normală tranzistorul funcţionează în regim activ normal (RAN):
Joncţiunea bază – emitor este polarizată direct
Joncţiunea bază – colector este polarizată invers
Curentul prin tranzistor este mare Ic= β∙IB
Tensiunea de ieşire (VCE) este mică
Tranzistorul se comportă ca un amplificator de semnal.
Pe graficul caracteristicii de ieşire (figura 5.1.17) dacă se uneşte punctul de blocare (Vcc) cu punctul de saturaţie ( ICsat) se obţine dreapta de sarcină în curent continuu. De-a lungul dreptei de sarcină între cele două puncte se află regiunea activă normală de funcţionare a tranzistorului. La intersecţia unei caracteristici de ieşire cu dreapta de sarcină se află punctul static de funcţionare (Psf).
STUDIUL TRAZISTOARELOR BIPOLARE
A.1. TRANZISTOARE BIPOLARE - GENERALITĂŢI
A.1.1 STRUCTURA ŞI SIMBOLUL TRANZISTORULUI BIPOLAR
Tranzistorul bipolar – este un dispozitiv electronic realizat din material semiconductor,
format din trei regiuni (EMITOR, BAZĂ, COLECTOR) separate prin două joncţiuni pn.
În funcţie de tipul regiunilor, tranzistoarele bipolare se împart în două categorii:
Figura A.1.1 Strctura şi simbolul tranzistorului bipolar
Tranzistorul bipolar de tip NPN este format din două regiuni N separate de o regiune P
Tranzistorul bipolar de tip PNP este format din două regiuni P separate de o regiune N
Regiunea bazei este mai subţire şi mai slab dopată în comparaţie cu regiunea emitorului(puternic dopată) şi cu regiunea colectorului( dopată moderat)
Între două regiuni învecinate se formează o joncţiune. Între bază şi emitor este joncţiunea bază-emitor, iar între bază şi colector este joncţiunea bază-colector
Fiecare regiune are ataşată câte un terminal care se notează cu E(emitor) , B(bază), C(colector).
În structura tranzistorului bipolar, purtătorii de sarcină electrică sunt atât golurile cât şi electronii. Deoarece conducţia este realizată de două tipuri de purtători, tranzistorul se numeşte bipolar.
Figura A.1.2 Secţiunea de principiu printr-un tranzistor
A.1.2 FUNCŢIONAREA TRANZISTORULUI BIPOLAR
Un tranzistor bipolar funcţionează corect, dacă joncţiunea bază-emitor este polarizată direct cu o tensiune mai mare decât tensiunea de prag, iar joncţiunea bază-colector este polarizată invers cu o tensiune mult mai mare decât tensiunea bază-emitor.
Emitorul este sursa de purtători care determină curentul prin tranzistor, iar colectorul colectează purtătorii ajunşi aici. Baza controlează curentul prin tranzistor în funcţie de valoarea tensiunii de polarizare a joncţiunii bază-emitor.
Joncţiunea emitor-bază (polarizată direct) injectează un curent de emitor IE care este colectat în cea mai mare parte de joncţiunea colector-bază (polarizată invers), acest proces definind efectul de tranzistor.
Tranzistorul bipolar transferă curentul din circuitul de intrare de rezistenţă mică, în circuitul de ieşire de rezistenţă mare, de unde denumirea TRANSFER REZISTOR ⇔ TRANZISTOR.
a.Funcţionarea tranzistorului NPN.
Figura A.1.3 Prezentarea funcţionarii tranzistorului NPN
Regiunea de tip n a emitorului este puternic dopată cu electroni liberi. Regiunea de tip p a bazei este foarte subţire şi slab dopată cu goluri. Prin polarizarea directă a joncţiunii BE electronii din regiunea emitorului difuzează cu uşurinţă prin joncţiunea BE către regiunea bazei. Aici un procent foarte mic de electroni se combina cu golurile din bază şi formează curentul de bază. Prin polarizarea inversă a joncţiunii BC majoritatea electronilor difuzează prin joncţiunea BC şi sunt atraşi către regiunea colectorului de către tensiunea de alimentare a colectorului, formându-se astfel curentul de colector.
b. Funcţionarea tranzistorului PNP.
La acest tip de tranzistor purtătorii majoritari sunt golurile.
Figura A.1.4 Prezentarea funcţionarii tranzisorului PNP
Regiunea de tip p a emitorului este puternic dopată cu goluri. Regiunea de tip n a bazei este foarte subţire şi slab dopată cu electroni. Prin polarizarea directă a joncţiunii BE golurile din regiunea emitorului difuzează cu uşurinţă prin joncţiunea BE către regiunea bazei. Aici un procent foarte mic de goluri se combina cu electronii din bază şi formează curentul de bază. Prin polarizarea inversă a joncţiunii BC majoritatea golurilor difuzează prin joncţiunea BC şi sunt atraşi către regiunea colectorului de către tensiunea de alimentare a colectorului, formându-se astfel curentul de colector.
A.1.3PARAMETRII ŞI CARACTERISTICILE TRANZISTORULUI BIPOLAR
a. Parametrii tranzistorului bipolar
a1. Factorul de amplificare al tranzistorului
Factorul de amplificare în curent din bază în colector (βcc) – reprezintă raportul dintre curentul continuu prin colector (Ic) şi curentul continuu prin bază
β este o mărime statică de curent continuu, care indică de câte ori este mai mare curentul prin colectorul tranzistorului decât curentul prin baza tranzistorului. Acest parametru mai poartă denumirea de câştig în curent al tranzistorului.
Valoarea acestui parametru este menţionat de către producător în foile de catalog, ca parametru echivalent hibrid HFE
Valorile parametrului β sunt cuprinse între 10 şi 1000, în funcţie de tipul tranzistorului.
Factorul de amplificare în curent din emitor în colector (∝CC)– reprezintă raportul dintre curentul continuu prin colector (Ic) şi curentul continuu prin emitor (IE)
Acest parametru este întotdeauna subunitar deoarece curentul de colector (Ic) este întotdeauna mai mic decât curentul de emitor (IE) .
Valorile paramentului α sunt cuprinse între 0,95 şi 0,99 în funcţie de tipul tranzistorului.
Între parametrii β şi α sunt următoarele relaţii :
a2. Valorile maxime absolute
Sunt valori care nu trebuie depăşite în timpul funcţionării tranzistorului, deoarece pot produce defectarea acestuia. De regulă în această grupă apar:
Tensiunile maxime între terminale: VCBO, VCEO, VEBO
Curentul maxim de colector şi de bază: ICM , IBM
Puterea maximă disipată: Ptot
Temperatura maximă a joncţiunii: TjM(este cuprinsă între 175°C şi 200°C)
În practică se recomandă încărcarea tranzistorului la cel mult 0,75 din valorile de catalog ale acestor parametrii.
b. Caracteristicile tranzistorului bipolar.
b1. Caracteristicile electrice
Figura A.1.5 Curenţii şi tensiunile tranzistorului
În cataloagele de tranzistoare sunt prezentate caracteristica de intrare şi caracteristica de ieşire, deoarece aceste caracteristici sunt mai importante. Pe caracteristica de ieşire se pot delimita regiunile de funcţionare a tranzistorului şi se poate trasa dreapta de sarcină.
Figura A.1.6 Caracteristica de ieşire a tranzistorului bipolar în conexiunea EC
În regiunea de blocare tranzistorul funcţionează în regim de blocare (tăiere):
Joncţiunea bază – emitor este polarizată invers (sau direct cu o tensiune mai mică decât tensiunea de prag)
Joncţiunea bază – colector este polarizată invers
Curenţii prin tranzistor sunt foarte mici, practic Ic=0
Tensiunea de ieşire are valoare mare, practic VCE=VCC
Tranzistorul se comportă ca un întrerupător deschis
În regiunea de saturaţie tranzistorul funcţionează în regim de saturaţie:
Joncţiunea bază – emitor este polarizată direct
Joncţiunea bază – colector este polarizată direct
Curentul prin colector atinge o valoare apropiată de valoarea maximă posibilă Ic(sat)‹ β∙IB
Tensiunea de saturaţie este forte mică VCE(sat)= 0,2 – 0,3 V
Tranzistorul se comportă ca un întrerupător închis
În regiunea activă normală tranzistorul funcţionează în regim activ normal (RAN):
Joncţiunea bază – emitor este polarizată direct
Joncţiunea bază – colector este polarizată invers
Curentul prin tranzistor este mare Ic= β∙IB
Tensiunea de ieşire (VCE) este mică
Tranzistorul se comportă ca un amplificator de semnal.
Pe graficul caracteristicii de ieşire (figura 5.1.17) dacă se uneşte punctul de blocare (Vcc) cu punctul de saturaţie ( ICsat) se obţine dreapta de sarcină în curent continuu. De-a lungul dreptei de sarcină între cele două puncte se află regiunea activă normală de funcţionare a tranzistorului. La intersecţia unei caracteristici de ieşire cu dreapta de sarcină se află punctul static de funcţionare (Psf).