Státnice z elektroniky

<< předchozí     následující >>

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 fα. 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 fβ = (1−αN)fα. 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 | ΔIC / ΔIB | při UCE = konst udává stejnosměrný proudový zesilovací činitel nakrátko. Platí
IC = ICE0 + ΔIC = ICE0 + h21E ΔIB = ICE0 + h21E IB,
neboť ΔIB − IB = 0. ICE0 je zbytkový proud tranzistoru. Z rovnice vyplývá, že proudový zesilovací činitel
h21E = IC−ICE0
IB
IC
IB
,
neboť zbytkový proud lze vždy proti hodnotě IC zanedbat (ICE0 < 100 nA, IC >> 1 mA).

Výstupní charakteristika (I. kvadrant)

Na výstupních charakteristikách je možné sledovat mezní přímku , do které spadají společné části charakteristik při nízkých hodnotách UCE. To znamená, že na tranzistoru v zapojení SE nemůže nikdy existovat menší napětí, než je omezeno mezní přímkou a osou IC. Minimální možné napětí UCE se nazývá saturační napětí UCES. Musíme však mít na paměti, že toto napětí je funkcí IB (s rostoucí hodnotou IC roste i hodnota UCES).

Proudová převodní charakteristika (II. kvadrant)

Protože průběh málo závisí na napětí UCE, udává se zpravidla jen pro jedinou hodnotu UCE = konst. Charakteristika neprochází počátkem, ale protíná osu IC ve výšce odpovídající hodnotě ICE0. Z této charakteristiky lze odečíst hodnotu h21E.

Vstupní charakteristika (III. kvadrant)

Charakteristika, narozdíl od výstupní charakteristiky, vychází z hodnoty napětí UBE0. Toto napětí vzniká na emitorovém přechodu při odpojené bázi (IB = 0) průtokem proudu ICE0. Zbytkový proud vyvolává na emitorovém přechodu spád napětí, který se musí na svorkách B a E objevit. Teprve když napětí UBE > UBE0, může do báze vtékat proud IB. S ohledem na činnost tranzistoru je charakteristika IB = f(UCE) charakteristikou diody v přímém směru (narozdíl od charakteristiky výstupní IC = f(UCE), 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 UBE = 0. To je případ odpovídající zkratované bázy, kdy proud báze IB teče ven z tranzistoru.

Napěťová převodní charakteristika (IV. kvadrant)

Popisuje vliv změn napětí UCE na změnách napětí UBE při konstantním proudu IB. 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

2.4.1  Výroba

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