4. TRANZYSTORY Tranzystor - trójelektrodowy (lub czteroelektrodowy) przyrząd półprzewodnikowy posiadający właściwości wzmacniające (zastąpił lampy elektronowe).   Ogólny podział : bipolarne (wpływ na działanie przyrządu mają dziury i elektrony) unipolarne (tylko jeden rodzaj nośników)   Inne kryteria podziału: Moc: małej mocy < 0.5 W Częstotliwość: m. cz. < 300 kHz średniej mocy < 5 W śr. cz. < 30 MHz dużej mocy > 5W w. cz. < 300 MHz b.w.cz. >300 MHz

Tranzystory Bipolarne B - baza C - kolektor E - emiter Występują dwa złącza (p-n oraz n-p) blisko siebie → oddziałujące na siebie i układ nie może być traktowany jako szeregowe połączenie diod. Najbardziej rozpowszechniona technologia produkcji: epitaksjalno- planarna tranzystor dyskretny

Tranzystory w układzie scalonym Tranzystory uformowane na wyspach w warstwie epitaksjalnej typu n . Warstwy zagrzebane (buried) n+ zmniejszają rezystancję szeregową kolektora tranzystora pionowego i rezystancję rozproszoną bazy tranzystora bocznego.

Zasada działania tranzystora bipolarnego Najistotniejszy ten obszar w tranzystorze, gdzie baza ma najmniejszą grubość. W ten sposób otrzymuje się szeregowe połączenie 3 obszarów.

Polaryzacja tranzystora bipolarnego dla pracy normalnej Elektrony zostają wstrzyknięte przez emiter do bazy (typ p) i stają się nośnikami mniejszościowymi. Grubość bazy jest mniejsza niż droga dyfuzji nośników i wskutek dyfuzji oraz unoszenia przez pole złącza kolektorowego prąd elektronowy prawie w całości dojdzie do kolektora. InC = InE - IrB IE = InE +IpE IpE – prąd dziur wstrzykiwanych przez bazę do emitera IrB – prąd rekombinacyjny elektronów w bazie IB = IrB + IpE

dziurowego IpE , tj. by sprawność emitera była bliska jedności Dąży się do tego aby prąd elektronowy InE był znacznie większy od prądu dziurowego IpE , tj. by sprawność emitera była bliska jedności sprawność emitera Odpowiada to większemu wzmocnieniu tranzystora. Taki stan osiąga się stosując znacznie silniejsze domieszkowanie emitera niż bazy. Stosunek wstrzykiwanego prądu elektronowego do dziurowego wynosi: gdzie NDE, NAB oznaczają odpowiednio konc. domieszek w emiterze i bazie.

Prąd kolektora lub Prąd emitera dla JCBO - prąd zerowy (termiczny) kolektora przy odłączonym emiterze Prąd emitera dla >>1 Przy zaporowo spolaryzowanym złączu kolektorowym prąd emitera zależy od napięcia na tym złączu jak dla diody: Zważywszy, że iC niewiele różni się od iE, uzyskuje się silną zależność iC od UB.

Włączając w obwodzie wejściowym źródło sygnału a w wyjściowym dużą rezystancję R (opór zaporo spolaryzowanego złącza kolektorowego jest duży i R nie wpływa na prąd), uzyskuje się wzmocnienie napięcia. Wzmocnienie mocy: rin - rez. wejściowa rout- rez. wyjściowa przy dopasowaniu mocy R = rout , stąd

W zależności od układu pracy tranzystora możliwe są różne wartości wzmocnienia prądu i mocy kU >>1 kI = β>>1 rin małe kU >>1 kI = α ≈ 1 rin b.małe kU ~ 1 kI = β>>1 rin duże

Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego Stan stacjonarny można opisać za pomocą trzech napięć i prądów Dla węzła jakim jest tranzystor można napisać UBE + UCE – UCB = 0 IE + IB + IC = 0 Niezależne są więc tylko dwa napięcia i dwa prądy Rozważa się następujące charakterystyki statyczne (1 - wejście, 2 – wyjście) Charakterystyki wejściowe I1 = f (U1)U2 =const Charakterystyki przejściowe prądowo-prądowe I2 = f (I1) U2= const prądowo-napięciowe I2 = f (U1)U2=const Charakterystyki wyjściowe parametryzowane prądowo I2 = f (U2)I1=const parametryzowane napięciowo I2 = f (U2) U1=const Charakterystyki oddziaływania wstecznego U1 = f (U2) I1=const

Przykłady charakterystyk Tranzystor n-p-n w układzie WE

Tranzystor n-p-n w ukladzie WB

Charakterystyki przejściowe prądowo-prądowe to: linie proste o nachyleniu: β w układzie WE (1) α w układzie WB (5) Charakterystyki przejściowe prądowo-napięciowe są podobne do charakterystyk złącz p-n (podobnie jak charakterystyki wejściowe). Prąd kolektora dla charakterystyk wyjściowych (2), (4), (6), (8) w zakresie aktywnym normalnym nie zależy od napięcia UCE czy UCB. W zakresie nasycenia prąd kolektora prawie liniowo wzrasta z UCE (2).

Analiza pracy tranzystora w układzie tranzystor i rezystor A – punkt pracy spoczynkowej Obszar aktywny normalny: IC = f ( IB ) UT ≈ UR

Polaryzacje złącz i odpowiadające im stany tranzystora STAN TRANZYSTORA ZŁĄCZE E-B ZŁĄCZE C-B Odcięcie Kier. zapor. Kier. zapor. Przew. aktywne Kier. przew. Kier. zapor. Nasycenie Kier. przew. Kier. przew. Inwersja Kier. zapor. Kier. przew. Praca inwersyjna tranzystora (role emitera i kolektora są zamienione) powinna wyglądać podobnie do normalnej, gdyż właściwości złącz kolektorowego i emiterowego są podobne . Występują tu mniejsze wartości współczynników α i β (αI < αN, βI << βN)

Modele stałoprądowe tranzystora bipolarnego Proste modele wprowadza się do szybkich obliczeń dla poszczególnych zakresów pracy odcięcie (cutoff ) oba złącza spolaryzowane zaporowo IC ≈ 0 , IC ≠ f(IB) , IB < 0 nasycenie (saturation) IC ≠ f (IB)  Złącze kolektora- źródło prądowe sterowane prądem bazy lub emitera. stan aktywny normalny (forward active) Złącze emiterowe nieliniowe – dioda:

Małosygnałowe Parametry Tranzystora Bipolarnego Tranzystory używane do wzmacniania muszą pracować bez zniekształceń. Charakterystyki tranzystora są jednak nieliniowe. W praktyce dla małych sygnałów zmiennych uzyskuje się liniowe związki między prądami i napięciami. Związki między wielkościami małosygnałowymi uzyskuje się korzystając z charakterystyk statycznych, a przyrosty prądów i napięć zamienia się na amplitudy sygnałów zmiennych. Dla układu WE mamy Dla wejścia: albo

Dla wyjścia: albo Zapis z użyciem macierzy konduktancji: Równaniu powyższemu odpowiada małoczęstotliwościowy, małosygnałowy schemat zastępczy tranzystora typu mieszane π (przy gbc = 0):

Typowe wartości parametrów (dla Ic = 100 μA, β = 100, VT = 25 mV) 1/gce = r0 – rezystancja wyjściowa gcb = gm – transkonduktancja gmube – sterowane napięciowo źródło prądowe 1/gbe = rπ – rezystancja wejściowa Typowe wartości parametrów (dla Ic = 100 μA, β = 100, VT = 25 mV) gm = 4mS rπ = 25 kΩ r0 = 350 kΩ

Uzupełniając omówiony schemat zastępczy o pojemności i rezystancje szeregowe tranzystora uzyskuje się ogólny schemat małosygnałowy typu mieszane- π w układzie WE. rbb’ , rcc’ , ree’ - rezystancje szeregowe tranzystora CjC, CjE - pojemności barierowe CdE - pojemność dyfuzyjna Wszystkie elementy układu zastępczego zależą od spoczynkowego punktu pracy tranzystora oraz temperatury.

małosygnałowego schematu zastępczego hybryd π są następujące: Pomijając wpływ składników drugorzędnych, podstawowe zależności dla elementów małosygnałowego schematu zastępczego hybryd π są następujące: - transkonduktancja przejściowa: - konduktancja wejściowa gdzie - konduktancja wyjściowa: gdzie UA - napięcie Earlego - pojemności barierowe: efekt modulacji grubośći bazy, co powoduje wzrost IC w funkcji UCE dla stanu aktywnego normalnego VjE , VjC - napięcia wbudowane

Hybrydowe parametry typu h W analizie małosygnałowej tranzystor jest często traktowany jako czwórnik liniowy I1,U1 – prąd ,napięcie wejściowe I2, U2 – prąd, napięcie wyjściowe Dolne zaciski stanowią wspólne wprowadzenie tranzystora (emitera w konfig. WE, bazy w konfig. WB, kolektora w konfig. WC). Własności czwórnika opisują macierze parametrów; jedną z częściej stosowanych jest macierz typu hij, chętnie stos. do opisu własności tranzystora przy małych częstotliwościach (< 100 MHz). gdzie

u1= h11i1+ h12u2 - szeregowe połączenie impedancji h11 lub inaczej: u1= h11i1+ h12u2 - szeregowe połączenie impedancji h11 i źródła napięciowego h12u2 i2 = h21i1+ h22u2 - równoległe połączenie admitancji h22 i źródła prądowego h21i1. reprezentacja h – hybrydowa tranzystora Dla każdej konfiguracji macierze parametrów oznacza się odrębnie, np. h21e dla konfiguracji WE. Wartości parametrów określa się eksperymentalnie (lub analitycznie na podstawie schematów zastępczych). Eksperymentalnie mierzy się odpowiednie składowe zmiennych prądów i napięć przy zwartych (rozwartych) odpowiednich zaciskach. Przykładowo: dla u2= 0 (duża pojemność na wyjściu)

Uproszczczony schemat zastępczy do analizy w obszarze b.w.cz. Ograniczenia częstotliwościowe pracy tranzystora bipolarnego Dla uzyskania dużego wzmocnienia β domieszkuje się silnie emiter i słabo bazę. Słabe domieszkowanie bazy ogranicza jednak prędkość działania tranzystora. Uproszczczony schemat zastępczy do analizy w obszarze b.w.cz. Konduktancja wyjściowa g’ce wynosi g’ce = 2πfTCjC gdzie fT jest częst. dla której h21e = 1 (fT jest miarą szerokości pasma przenoszenia tranzystora bipolarnego) Częstotliwość graniczna fT nie zależy od warunków pracy tranzystora fT ~ 1/tt tt – czas transportu nośników.

Wzmocnienie mocy realizuje się przy dopasowaniu obciążenia GL do konduktancji wyjściowej (GL= g’ce ). Współczynnik wzmocnienia mocy wynosi Wzmocnienie mocy osiąga wartość graniczną Kp = 1 dla częstotliwości Częstotliwość fmax zależy odwrotnie proporcjonalnie od rezystancji bazy rbb’ czyli rośnie im mocniej jest domieszkowana baza (maleje wtedy β). Wyjściem z tej sytuacji jest zastosowanie heterozłączy.

Tranzystor heterozłączowy HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) Hetrozłącze to złącze dwu różnych półprzewodników, np. Si/SiGe, AlGaAs/GaAs. Tworzą się charakterystyczne uskoki pasm przewodnictwa i walencyjnego. Półrzewodnik typu n z szeroką przerwą tworzy emiter, typu p z węższą przerwą stanowi bazę tranzystora. Dziury mają do pokonania znacznie wyższą barierę niż elektrony i prąd dziurowy jest wyraźnie mniejszy niż elektronowy nawet przy silniejszym domieszkowaniu bazy w stosunku do emitera. Uzyskuje się więc zarówno wysokie fmax jak i duże β. Złącze emiter/baza spolaryzowane w kier. przewodzenia w tranzystorze HBT

Przykład tranzystora HBT Emiter: Si typu n (WG = 1.12 eV) Baza: Stop Si0.8Ge0.2 typu p (WG = 0.87 eV) Kolektor: Si typu n (WG = 1.12 eV) Wzmocnienie prądowe: