Základy elektrotechniky Přednáška Tranzistory 1
BIPOLÁRNÍ TRANZISTOR - třívrstvá struktura NPN se třemi vývody (elektrodami): e - emitor k - kolektor b - báze Struktura, náhradní schéma a schematická značka bipolárního tranzistoru NPN v zapojení se společným emitorem. 2
BIPOLÁRNÍ TRANZISTOR - třívrstvá struktura PNP Struktura, náhradní schéma a schematická značka bipolárního tranzistoru PNP v zapojení se společným emitorem. 3
Zapojení se společným emitorem (SE) -emitor je společnou součástí vstupního řídicího i výstupního řízeného obvodu Princip zesílení u tranzistoru (v zapojení SE): malým napětím, resp. malým proudem do báze tranzistoru ovládáme větší proud v obvodu kolektoru I k I = I I I I ( ) e b + k = b 1+ = b 1+ β 0 β 0I I b b I e kde β 0 je statické proudové zesílení tranzistoru, β 0 = I k /I b β 0 = I I k b Bipolární tranzistor je řízen proudem báze I b 4
Určení správných polarit a značení typů tranzistorů šipka v emitoru označuje pracovní směry proudu kolektoru i báze směr propustnosti diody báze emitor (b e) šipka u tranzistoru typu NPN směřuje ven ze značky Zkoušení neporušenosti přechodů tranzistoru stačí většinou ověřit neporušenost přechodů b - e a b - k použítím přímo ukazujícího multimetru 5
Statické vlastnosti tranzistoru SE Statické charakteristiky tranzistoru - popisují vzájemné vztahy mezi veličinami vstupními: I b, U b, výstupními: I k, U k Hybridní charakteristiky - nezávisle proměnné: I b, U k Vstupní charakteristika: U b = h 1 (I b, U k ) ve III. kvadrantu většinou uvažujeme jen U b = h 1 (I b ) Výstupní charakteristika: I k = h 2 (I b, U k ) soubor kolektorových charakteristik v I. kvadrantu pro parametr I b soubor převodních charakteristik ve II. kvadrantu pro parametr U k 6
Převodní charakteristiky výstupní charakteristiky vstupní charakteristiky 7
Mezní parametry tranzistorů výrobcem uvedeny v katalogu (hlavní vodítko volby a výběru náhrady typu) Maximální kolektorový proud I kmax ( I Emax ) - dán konstrukcí tranzistoru, plochou přechodů a odvodem tepla z tranzistoru Maximální kolektorové napětí U Kmax - dáno dovoleným závěrným napětím PN přechodu b k Maximální kolektorový ztrátový výkon P kmax - omezuje trvalou pracovní oblast v kolektorových charakteristikách hyperbolou, je podmíněn chlazením tranzistoru Maximální proud báze I bmax - jeho velikost je určena konstrukcí tranzistoru (přibližně 0,1 I kmax ) Maximální závěrné napětí U be max - bývá malé, cca 5 až 8 V, přepólování báze do závěrného směru -častá příčina zničení tranzistoru 8
Početní řešení obvodu s tranzistorem Charakteristiky tranzistoru nahrazujeme v okolí pracovního bodu P jejich tečnými rovinami (tj. vyjádření přírůstku totálním diferenciálem). Rovnice tečných rovin aproximujících charakteristiky lze vyjádřit: u = h. i + h. u b 11 b 12 k i = h. i + h. u k 21 b 22 k h - parametry tranzistoru konstanty h jsou v rovnicích parciální derivace charakteristik v pracovním bodě h 11 u b u b i k =, i h12 =, b u h21 =, k i b u k = konst. i = kont. b u k = konst. h 22 = i u k k i = kont. b h 11 - vstupní odpor, hodnota se pohybuje v rozsahu 10 2 až 10 4 [Ω] h 12 - zpětný napěťový přenos, h 12 10-4 [-], většinou jej zanedbáváme h 21 - proudové zesílení, hodnota se pohybuje v rozsahu 10 1 až 10 3 [-] h 22 - výstupní vodivost, jehož hodnota se pohybuje v rozsahu 10-3 až 10-5 [S] 9
u = h. i + h. u b 11 b 12 k i = h. i + h. u k 21 b 22 k Linearizované náhradní schéma tranzistoru h - parametry tranzistoru lze získat měřením z VA charakteristik tranzistoru v okolí prac. bodu, lze vyhledat v katalogovém listu daného tranzistoru Použití tranzistorů: zesilování stejnosměrných i střídavých signálů spínání impedanční přizpůsobení realizace logických funkcí 10
UNIPOLÁRNÍ TRANZISTOR - neboli polem řízený tranzistor, FET (Field Effect Transistor) Struktura tranzistoru N MOS základní materiál typu P tenký kanálek vodivosti typu N tenká izolační vrstva SiO 2 napařena kovová řídicí elektroda G 1 Vývody: E - emitor (též S - source) K - kolektor (též D - drain) G 1 -řídicí elektroda (gate) Tranzistor je řízen napětím na řídicí elektrodě U G. 11
Tranzistor je řízen napětím na řídicí elektrodě U G. Intenzitou dotace příměsi v kanálku je možno vyrobit tranzistory s modem: - ochuzujícím - propouští I k i při U G =0 - obohacujícím - jsou při U G = 0 nevodivé Šipka v G 2 znázorňuje vodivost diody kanál - G 2 (substrát). Obohacující se kanál se kreslí čárkovaně. Základní typy unipolárních tranzistorů: MOS-FET izolace vrstvou oxidu SiO 2 (Metal Oxid Semiconductor) J-FET izolace PN přechodem v závěrném směru N nebo P předřazené znaku znamená typ vodivosti kanálu C předřazené znaku znamená prvek s kanály P i N 12
Charakteristické vlastnosti: velmi vysoký vstupní odpor malý řídicí příkon velký rozsah kolektorových proudů mělká struktura umožňuje vysoký stupeň integrace mělká struktura dobrý odvod ztrátového výkonu tranzistoru z čipu pracovní bod lze nastavit již při výrobě bez použití vnějších součástí Použití pro zesilování spínání signálů realizaci logických funkcí 13
Statické charakteristiky unipolárního transistoru Převodní charakteristiky výstupní charakteristiky Statické charakteristiky unipolárního transistoru N-MOS s ochuzujícím kanálem (vstupní charakteristiky se nekreslí). 14
Výstupní charakteristiku v okolí pracovního bodu lze nahradit lineární aproximací dle I = y. U + y. U k 21 G 22 k kde parametry jsou strmosti charakteristik: převodní y 21 = S je řídicí strmost (bývá 0,3 až 30 ms) výstupní y 22 - výstupní vodivost (bývá 10-5 až 10-3 ms) Mezní parametry I kmax, U kmax, P max - dány stejně (i řádově) jako u bipolárních tranzistorů, U gmax je u MOS - FETů v obou polaritách stejná, asi 20 V - překročení vede k okamžitému zničení tranzistoru 15
Porovnání vlastností unipolárních a bipolárních tranzistorů Výhody polem řízených tranzistorů proti bipolárním: 1. Velmi vysoký vstupní odpor (10 9 až 10 13 Ω), nulový vstupní proud, nulový vstupní příkon ve statickém režimu. 2. Výstupní obvod otevřeného tranzistoru se chová jako ohmický odpor, při malém proudu I k je napětí U k tranzistoru téměř nulové (R DS(on) < 1 Ω). 3. Možnost velmi velké hustoty integrace, protože: a) mělká struktura lze dosáhnout velké rozlišovací schopnosti při výrobě b) velmi malý vstupní příkon umožňuje navrhnout i předchozí stupně na malý výkon a umístit je na malé ploše c) tím, že lze volit ochuzením či obohacením kanálu polohu charakteristiky pro U G =0, zjednoduší se obvody pro nastavení a posouvání pracovního bodu 4. Relativně malý vlastní šum, zejména u J-FETů, které pracují až do velmi vysokých frekvencí (20 GHz). Nevýhodou MOS-FETů je nebezpečí snadného proražení řídicí elektrody, pokud není chráněna. 16