Podręcznik

USTALENIA WSTĘPNE

Tranzystor bipolarny stanowi struktura półprzewodnikowa złożona z dwóch złącz p-n o wspólnym obszarze p lub n stanowiącym bazę (B). 

Jest to element aktywny, który dla normalnej polaryzacji (aktywnej) pozwala na sterowanie wartością prądu zaporowo spolaryzowanego złącza kolektor-baza (C-B) przez zmiany polaryzacji przewodzenia sąsiedniego złącza emiter-baza (E-B).

Rys. 1.1 Zasada działania tranzystora bipolarnego

W przypadku tranzystora npn elektrony wstrzykiwane z emitera (E) przepływają przez słabiej domieszkowaną bazę (B) - obszar decydujący o przenoszeniu informacji, a następnie znacząca ich część jest zbierana przez kolektor (C) i tworzy prąd wyjściowy.

Właściwości elektryczne tranzystora bipolarnego będą dalej analizowane dla konfiguracji czwórnikowej wspólnej bazy WB (OB) i/lub wspólnego emitera WE (OE):

Rys. 1.2 Konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego

W zależności od kierunku polaryzacji złączy można wyróżnić cztery stany pracy tranzystora:

Rys. 1.3 Stany pracy tranzystora bipolarnego i odpowiadające im uproszczone rozkłady koncentracji nośników mniejszościowych w obszarach quasi-neutralnych tranzystora npn

Dodatnie lub ujemne wartości poszczególnych napięć polaryzacji wynikają różnicy wartości potencjałów przyłożonych do odpowiednich kontaktów w kolejności zapisanej w indeksach (np.: U_EB = V_E – V_B)

Ponadto, rzeczywiste prądy wpływające z obwodu do kontaktów tranzystora przyjęto jako dodatnie.

KONCEPCJA MODELU

Struktura tranzystora jest w zasadzie złożeniem dwóch diod o krótkiej i wspólnej bazie. Podstawą dalszych rozważań ilościowych jest schemat rozpływu dziur i elektronów w strukturze tranzystora: 

Rys. 1.4 Rozpływ nośników ładunku elektrycznego w tranzystorze bipolarnym

Zgodnie z tym schematem można przyjąć, że każde złącze ma swoje charakterystyki diodowe oraz, że prądy obydwu złącz wpływają na siebie liniowo. Powyższe stwierdzenie jest podstawą modelu Ebersa-Molla Eebmol przedstawionego w wersji podstawowej na rysunku:

Rys. 1.5 Model EB tranzystora bipolarnego w wersji podstawowej

Na Rys. 1.5  diody reprezentują tzw. prądy własne złączy (I_F – emitera, I_R – kolektora), a źródła prądowe wzajemny wpływ złączy w postaci tzw. prądów obcych. Prądy zaciskowe emitera i kolektora są następującymi sumami prądów własnych i obcych:

a prąd bazy można zapisać:

Oznaczenia „F” i „R” (od forward i reverse) odnoszą się do polaryzacji złączy dla normalnej, aktywnej pracy tranzystora: złącza emiter-baza w kierunku przewodzenia, a złącza kolektor-baza w kierunku zaporowym.

Współczynniki występujące w prądach obcych noszą nazwę współczynników wzmocnienia prądowego:

a_F (normalny) określa, jaka część prądu I_F wymuszonego polaryzacją złącza emiter-baza daje wkład do prądu kolektora (jest „zbierana” przez złącze kolektor-baza),

a_R (inwersyjny) określa, jaka część prądu I_R wymuszonego polaryzacją złącza kolektor-baza wkład do prądu emitera (jest „zbierana” przez złącze emiter-baza).

Pomijając zjawiska rekombinacji-generacji w warstwach zaporowych prądy własne można sprowadzić do składowych rekombinacji-generacji w obszarach quasi-neutralnych i zapisać:

prąd własny emitera (charakterystyka diodowa dla złącza emiter-baza):

prąd własny kolektora (charakterystyka diodowa dla złącza kolektor-baza):

gdzie:

I_ES jest prądem nasycenia złącza E-B dla zwartego złącza C-B,

I_CS jest prądem nasycenia złącza C-B dla zwartego złącza E-B.

Można udowodnić, że gdy zależności prądów I_E i I_R są opisane są taką samą funkcją matematyczną (jak w przypadku Wifes i Wircs), to spełniony jest związek:

gdzie I_S nazywany jest prądem nasycenia tranzystora.

W zaawansowanej wersji modelu EM prądy rekombinacji-generacji w warstwach zaporowych złącz uwzględnia się przez równoległe dołączenie diod o charakterystykach określonych przez te zjawiska, w schemacie z rys. 1.1.

Biorąc pod uwagę zależności od napięcia na określonym złączu (1.4) i (1.5), można w prądzie bazy Webmib wyróżnić następujące składowe:

gdzie:

Na podstawie tych wyrażeń można prąd emitera i kolektora zapisać:

gdzie wykorzystano związek (1.3).

Pierwszy składnik w wyrażeniach (1.10) i (1.11), określający prąd płynący między złączem emiter-baza a złączem kolektor-baza, nazywany jest składową transmisyjną (przenosi informację).

Składowe I_BE i I_BC reprezentują procesy rekombinacji-generacji w obszarze bazy, obszarach warstw zaporowych złączy oraz obszarach emitera i kolektora. W procesach tych biorą udział dziury przepływające przez kontakt bazy. Zjawiska powyższe z punktu widzenia przenoszenia informacji od emitera do kolektora są niepożądane (powodują, że a_F<1).

W praktyce wygodniej jest zamiast wzorami (1.1), (1.2)posługiwać się związkami między prądami zaciskowymi. Dla różnych konfiguracji i stanów pracy tranzystora model EM można przedstawić następująco:

Model EM dla przewodzenia aktywnego

konfiguracja WB

gdzie:

Rys. 1.6 Model EM dla polaryzacji normalnej tranzystora w konfiguracji WB

konfiguracja WE

Po podstawieniu I_E = -I_C - I_B do wzoru (1.12) otrzymuje się:

gdzie współczynnik wzmocnienia prądowego w konfiguracji WE:

oraz:

Rys. 1.7 Model EM dla polaryzacji normalnej tranzystora w konfiguracji WE

Model EM dla pracy inwersyjnej

gdzie:

Model EM dla zablokowania tranzystora

Rys. 1.8  Model EM dla zablokowania tranzystora w konfiguracji WB

Model EM dla nasycenia tranzystora (WE)

Przekształcając wzory modelu EM: (1.2) i (1.3), można prądy własne wyrazić jako funkcje prądów kolektora i bazy:

Następnie, korzystając z zależności prądów własnych od napięć polaryzujących złącza (1.21) i (1.22) otrzymuje się napięcie wyjściowe tranzystora w nasyceniu:

U_CEsat jest więc słabą funkcją I_C i może być reprezentowane przez źródło napięciowe.