Tranzistorul bipolar cu jonctiuni

Tranzistorul bipolar cu jonctiuni este un dispozitiv avand o structura de tip pnp sau npn, la care regiunea din mijloc este foarte subtire si slab dotata cu impuritati.

in figurile 2.1, a si b sunt reprezentate conventional aceste structuri, zona centrala fiind desenata mult mai intinsa decat este de fapt, in raport cu regiunile de la capete.

Simbolurile corespunzatoare sunt desenate in figurile 3.1, c si respec­tiv d, cu E notandu-se emitorul, cu B baza cu C colectorul tranzistorului.

Intrucat structurile infatisate sunt simetrice, este indiferent care regiune laterala este desemnata drept emitor sau colector: daca insa dispozitivul este asimetric (cum se intampla in realitate de cele mai multe ori) atunci drept colector se va lua regiunea laterala care prezinta in dreptul jonctiunii aria cea mai mare.

Functionarea fizica a tranzistorului

Pentru ca tranzistorul sa functioneze normal, trebuie ca jonctiunea emitor-baza sa fie polarizata direct, iar jonctiunea colector-baza sa fie invers polarizata. in figura 2.4 este aratat un circuit cu care se realizeaza acest lucru, folosind o structura tip npn.

Ca rezultat al acestei polarizari prin tranzistor vor circula curentii notati in figura 3.5, unde baza a fost in mod intentionat desenata mult mai groasa decat este in realitate.

Datorita polarizarii directe a jonctiunii emitor-baza, emitorul va injecta in baza componenta (1) de electroni, iar baza va injecta in emitor compo­nenta (5) de goluri. Intrucat baza este mai slab dotata cu impuritati decit emitorul, cele doua componente sunt diferite si anume componenta (5) e mult mai mica decat (1).

Intrucat baza se realizeaza foarte subtire, marea majoritate a elec­tronilor injectati de emitor reusesc sa o traverseze fara a se recombina.

constituind componenta (2). Odata ajunsi la jonctiunea colectorului si patrunzand in colec­tor ei sunt accelerati de campul electric exis­tent aici (colectorul este polarizat pozitiv in raport cu baza) si captati in circuitul exterior (componenta (3)).

Totusi, oricat de subtire ar fi baza, o mica parte din electronii ce patrund in ea dispar prin recombinare cu componenta de goluri (4).

Fig 2.4. Circuit de alimentare a tranzistoarelor npn Fig. Distributia curentilor

Curentii in tranzistorul npn polari­zat normal.

in fine mai exista o componenta (6), care este curentul jonctiunii colector-baza, polarizata invers.

Asa precum se vede, curentul de emitor este constituit din tele (1) si (5), adica:

I_e = i₁ + i₅

unde cu i₁     si i₅ s-au notat componenta de electroni (1) si respectiv componenta de goluri (5) (de remarcat ca se insumeaza, desi au sensuri diferite datorita naturii diferite a purtatorilor). Similar:

I_c =i₃ + i₆

I_B = i₄ + i₅ - i₆

Trebuie observat ca, cu cat tensiunea U_be de polarizare a jonctiunii emitor-baza este mai mare, cu atat curentul de emitor va fi mai mare.

Intrucat cea mai mare parte a electronilor din componenta (1)se regaseste in componenta (3), curentul de colector este aproximativ egal cu curentul de emitor, dar evident ceva mai mic, datorita recombinarilor din baza.

Deci, din punct de vedere al circuitului emitor-colector, polarizat normal se comporta ca un generator de curent const; intensitate nu depinde de rezistentele exterioare din circuit, marimea tensiunii U_be .

Curentul de colector se poate exprima in cazul unui tranzistor polarizat normal cu ajutorul relatiei

Ic = ^α_NI_E + I_CB0,

unde s-a notat cu I_cb0 componenta (6), adica curentul rezidual al jonctiunii colector-baza, emitorul fiind in gol. Cu α_N se noteaza factorul de curent conform relatiei (3.4) se mai poate exprima cu relatia :

Neglijand I_cbo in expresia (3.4) se obtine forma echivalenta :

De asemenea, se defineste factorul de transport ca fiind raportul dintre numarul de electroni care ies in unitatea de timp din colector in circuitul exterior si numarul electronilor injectati de emitor in baza, adica

Evident k < 1, dar cu atat mai apropiat de unitate, cu cat baza este mai subtire.

in fine se mai defineste eficienta emitorului astfel:

ceea ce arata ca un emitor este cu atat mai eficient cu cat componenta (5) este mai mica in raport cu componenta (1), care constituie curentul de intrare Acest lucru se realizeaza dotand cat mai puternic cu impuritati emotorul fata de baza, dar oricum γ_s < 1.

Fig. . Extinderea regiu­nilor de trecere in baza unui tranzistor polarizat normal.

Pentru a stabili relatia care exista intre mari­mile definite, se porneste de la relatia (3.5.b)

= kγ_S < 1. (3.8)

Relatia (3.8) arata ca factorul de curent este produsul dintre factorul de transport si eficienta emitorului, fiind intotdeauna subunitar, dar apro­piat de unitate.

Daca in circuitul din figura 3.4 se inverseaza intre ei emitorul si colectorul, atunci in mod simi­lar factorul de curent invers va fi:

si datorita nesimetriei structurii α_I < α_N.

Astfel, pentru un tranzistor aliat constituit pe germaniu tip EFT α_N = 0,99 iar α_I= 0,87.

3.4. Caracteristicile statice ale tranzistoarelor

4.1. Notatii privind tensiunile si curentii

Fie doua tranzistoare, unul tip pnp si celalalt npn, asa cum se vede in figura 2.7, a si respectiv b.

Curentii si tensiunile se noteaza cu conventia generala din electrotehni­ca, sensul curentului de emitor fiind indicat si de sensul sagetii de pe terminal.

Fie doua tranzistoare, unul tip pnp si celalalt npn, asa cum se vede in figura 3.7, a si respectiv b.

Curentii si tensiunile se noteaza cu conventia generala din electrotehni­ca, sensul curentului de emitor fiind indicat si de sensul sagetii de pe terminal.

Fig. Cele trei conexiuni fundamentale:

a - emitor comun (EC); b - baza comuna (BC); c - colector comun (CC)

Evident U be - Ueb, iar intre cele trei tensiuni exista re:

UCE = UcB 'f' UBE,

iar intre curenti:

Ie -■ Ic + T-b>

ambele fiind de fapt legi Kirchhoff.

in fine, daca se deseneaza tranzistorul ca un cuadripol, se po situatiile din figura 3.8, in functie de electrodul care este pus la ma intrarii si iesirii).

3.4.2. CARACTERISTICILE STATICE IN CONEXIUNI

Planurile de caracteristici statice dau relatia grafica dintre marimile de la bornele cuadripolului (tensiune sau curent), cind este mentinuta constanta.

Cel mai des folosit este planul caracteristicilor de iesire i_c cind i_g = const, care este aratat in figura 3.9. Valorile cons curentului de emitor sint arbitrare, avind doar rolul de a arata care ele cresc.

Se disting trei zone pe planul desenat:

Zona (1) este regiunea activa normala (prescurtat R.
jonctiunea emitor-baza este polarizata direct, iar jonctiuneacok
este polarizata invers.

Zona (2) este regiunea de blocare (sau taiere), in care unilx
uni sint invers polarizate. in consecinta curentul dr cmitoi cst<
iar curentul de colector poate fi mai mic dedt I_CBQ. conform reli

CARACTERISTICI STATICE IN CONEXIUNE

Circuitul care polarizeaza tranzistorul in regiunea activ a caracteristicilor este aratat in figura 3.11.

Considerind tranzistorul ca un nod, teorema I a lui Kirch

Ie - Ic ~i~ ^b> iar relatia fundamentala dintre curenti este :

Ic ~ ^n^e + Icbo EHminind I_E intre relatiile (3.13) si (3.14) se obtine:

Ic ^aN(Ic + Ib) + IcbO' de unde :

T ^gJV T j_ ¹ r *
1 - <x_N 1 - ajy

Se observa ca :

«Af _ Ic - ^ICBo __ ^JC ~ -^CBo ^ ^C 1 - *_N I_E - I_c + I_CBo IB + ?CBo ^IB

Cu ajutorul relatiei (3.17) se defineste factorul static de amplificare in curent in cone­xiunea emitor acomun. Acest factor se noteaza cu (3# sau cu h_21B.

Rezulta:

P* = 7^J5£- (3-18)

1 - 0L_N

Ic - $n!b + (Pjv + 1)^cbo-

Produsul (Sjvt -f 1)/_CjB0 se noteaza cu 7_c£0 si este curen­tul rezidual dintre emitor si co­lector, cind baza este in gol.

Trebuie observat ca nume­ric factorul static de amplificare este de ordinul sutelor, iar I_CE0 este cu circa doua ordine de marime mai mare decit I_CB0.

in figura 3.12 se da planul cu patru cadrane al caracteristi­cilor statice.

Cadranul 1 contine caracte­risticile de iesire la curent de baza constant. Se observa ca la I_B = 0, valoarea pentru care curba este aproximativ orizonta­la este I_CE0 (vezi ecuatia (3.19)).

Fig. Caracteristicile lUUce ale Iul bipolar in conexiunea i