Kapitola 2
Bipolární tranzistory
2.1 Zapojení tranzistoru jako dvojbranu
2.1.1 Společná báze
Toto zapojení vykazuje malý vstupní odpor (desítky až stovky Ω), velký výstupní odpor (stovky kΩ). Má malé
proudové zesílení (těsně menší než 1) a střední napěťové zesílení (desítky až stovky). Výkonové zesílení je tedy desítky až
stovky. Výhodou tohoto zapojení je vysoký mezní kmitočet f
α. Fázový posun mezi napětím vstup-výstup i proudem
vstup-výstup je nulový. Malý zbytkový proud (maximálně μA), malé saturační napětí (→ 0). Mění nízkou
impedanci na vysokou.
2.1.2 Společný emitor
Zapojení má vstupní odpor stovky Ω až kΩ, výstupní odpor je desítky kΩ. Střední napěťové i proudové
zesílení (desítky až stovky), velké výkonové zesílení (sta až tisíce). Nízký mezní kmitočet
f
β = (1−α
N)f
α. Větší zbytkový proud (desítky až stovky μA), větší saturační napětí (1 V i více).
Fáze napětí vstup-výstup 180°, fáze proudu se nemění.
2.1.3 Společný kolektor
Vysoký vstupní odpor, nízký až střední výstupní odpor. Napěťové zesílení o něco méně než 1, proudové zesílení desítky až
stovky (závisí na proudu). Nízký mezní kmitočet. Zbytkový proud větší (desítky až stovky μA), větší i saturační napětí
(1 V i více). Fázový posun proudu o 180°, fáze napětí se nemění. Měnič impedance z vysoké na nízkou.
2.2 Stejnosměrné charakteristiky tranzistoru v zapojení SE
Rozlišujeme charakteristiky vstupní, výstupní a převodní napěťovou či proudovou. Absolutní hodnota poměru | ΔI
C / ΔI
B | při U
CE =
konst udává stejnosměrný
proudový zesilovací činitel
nakrátko. Platí
|
IC = ICE0 + ΔIC = ICE0 + h21E ΔIB = ICE0 + h21E IB, |
|
neboť ΔI
B − I
B = 0. I
CE0
je zbytkový proud tranzistoru. Z rovnice vyplývá, že proudový zesilovací činitel
|
h21E = |
IC−ICE0
IB
|
≈ |
IC
IB
|
, |
|
neboť zbytkový proud lze vždy proti hodnotě I
C zanedbat (I
CE0 < 100 nA, I
C >> 1 mA).
Výstupní charakteristika (I. kvadrant)
Na výstupních charakteristikách je možné sledovat
mezní přímku
, do které spadají společné části
charakteristik při nízkých hodnotách U
CE. To znamená, že na tranzistoru v zapojení SE nemůže nikdy existovat menší
napětí, než je omezeno mezní přímkou a osou I
C. Minimální možné napětí U
CE se nazývá
saturační
napětí
U
CES. Musíme však mít na paměti, že toto napětí je funkcí I
B (s rostoucí hodnotou
I
C roste i hodnota U
CES).
Proudová převodní charakteristika (II. kvadrant)
Protože průběh málo závisí na napětí U
CE, udává se zpravidla jen pro jedinou hodnotu U
CE =
konst. Charakteristika
neprochází počátkem, ale protíná osu I
C ve výšce odpovídající hodnotě I
CE0. Z této charakteristiky lze odečíst hodnotu h
21E.
Vstupní charakteristika (III. kvadrant)
Charakteristika, narozdíl od výstupní charakteristiky, vychází z hodnoty napětí U
BE0. Toto napětí vzniká na emitorovém
přechodu při odpojené bázi (I
B = 0) průtokem proudu I
CE0. Zbytkový proud vyvolává na emitorovém přechodu spád napětí,
který se musí na svorkách B a E objevit. Teprve když napětí U
BE > U
BE0, může do báze vtékat proud I
B. S ohledem na
činnost tranzistoru je charakteristika I
B = f(U
CE) charakteristikou diody v přímém směru (narozdíl od charakteristiky
výstupní I
C = f(U
CE), která s ohledem na polaritu kolektorového napětí je charakteristikou diody v závěrném směru).
Z průběhu vstupní charakteristiky je vidět, že i na ní lze získat hodnotu napětí U
BE = 0. To je případ odpovídající
zkratované bázy, kdy proud báze I
B teče ven z tranzistoru.
Napěťová převodní charakteristika (IV. kvadrant)
Popisuje vliv změn napětí U
CE na změnách napětí U
BE při konstantním proudu I
B. Jak naznačuje jejich průběh, je
tento vliv zanedbatelný a proto ve většině případů se tyto charakteristiky do osového kříže nezakreslují.
2.3 Nastavení a stabilizace pracovního bodu
2.4 Konstrukce a typy tranzistorů
Technologie výroby tažením
Tažení monokrystalu z taveniny, kam se přidávají příměsi. Vzniknou tak plynulé lineární přechody. Ze vzniklé tyčinky se
vyříznou tranzistory.
Slitinový tranzistor
Na destičku germania se nanese z obou stran iridium a při teplotě 600 °C se vytvoří slitina do určité hloubky. Vytvoří se
stupňovitý přechod. Vznikne bezdriftový tranzistor (šířka báze 15 μm). Řádově pro 10 MHz, 100 mW.
Elektrochemické leptání
Snaha snížit šířku báze (kvůli lepším VF vlastnostem). Destička Ge se z obou stran leptá solí india, současně působí napětí
příslušné polarity. Naleptá se na 5 μm tloušťky. Elektrochemicky se nanese vrstva iridia – pod povrchem vznikne
inverzní vrstva. Pro 70 až 100 MHz, 2 mW.
Difuze příměsí
Do homogenní destičky s malým obsahem příměsí se přidává opačná příměs. Vrstva vzniklá první difuzí tvoří bázi.
Epitaxní růst
Vytváření vrstev s rozdílnou koncentrací příměsí než původní materiál. Dělají se tak spíše přechody na stejný typ
(P–P
+, N–N
+).
Iontová implantace
Vrstva požadovaného tvaru. Částice urychlovány napětím až 500 kV. Při běžné teplotě.
2.4.2 Rozdělení tranzistorů podle výkonu
NF – malý výkon
Do několika stovek mW. Germaniové slitinovou technologií, křemíkové planárně-epitaxní technologií.
NF – střední výkon
Výkon do 1,5 W. Germaniové slitinovou technologií, křemíkové dvouepitaxní technologií.
NF – velký výkon
Podle velikosti proudu plocha přechodu. Kolektorové napětí, tepelný odpor. Kolektor spojen se základnou – chladič.
VF
Z křemíku planárně-epitaxní technologií. Parametry mají komplexní charakter, jsou závislé na frekvenci. Kapacita mezi
kolektorem a bází je nejškodlivější (užívá se zapojení SB), ovlivňuje rezonanční kmitočet výstupního obvodu.
2.5 Modely tranzistoru
2.5.1 Ebers-Mollův model
Topologie vychází ze skutečnosti, že se bipolární tranzistor při odpojené bázi chová jako dvě diody se spojenými anodami,
jejichž katody tvoří kolektorovou a emitorovou elektrodu. Vzhledem k technologické odlišnosti (velmi vysoká dotace
emitorové vrstvy) a účelovém geometrickém uspořádání (šířka bázové vrstvy je menší než středná volná dráha minoritních
nosičů náboje) se po připojení napětí mezi bázy a emitor projeví
tranzistorový jev.
Rovnice pro tranzistor
v zapojení SB jsou
| IE | = | I1 − αI · I2 |
| IC | = | αN · I1 − I2, |
kde αN je proudový zesilovací činitel tranzistoru v zapojení SB a αI je inverzní proudový zesilovací činitel
tranzistoru v zapojení SB.
2.5.2 Formální náhradní obvod tranzistoru
