Elektronika

Maturitní otázky

BIPOLÁRNÍ TRANZISTORY

13.Bipolární tranzistory

Činnost tranzistoru

                Představme si, že tranzistor PNP je zapojen v obvodu nakresleném na obrázku 94a. Emitor je odpojen a proto se neuplatňuje. Přechod kolektor-báze tvoří diodu, která  je polarizována napětím U_CB ve zpětném směru. Proto bude jejím obvodem procházet jen velmi malý proud minoritních nosičů náboje, který je nasycen již při napětí několik desetin voltu. Kdybychom změnili polaritu napětí U_CB, přechod kolektor-báze by se otevřel a proud v obvodu by velmi prudce vzrostl.

                Z obr. 94 vidíme, že popsaná závislost proudu I_C na napětí U_CB je voltampérovou charakteristikou diody kolektor-báze, která se nijak neliší od voltampérové charakteristiky běžné polovodičové diody. Abychom zdůraznili, že při zjišťování této závislosti byl emitor odpojen, označili jsme na obr. 94 proud procházející z báze do kolektoru symbolem I_CB0. Z grafu je dále zřejmé, že v obvodu tranzistoru působí poměrně velké napětí (desítek voltů), avšak procházející proud je jen velmi malý (zlomky mikroampérů). Odpovídající výkon, daný součinem obou veličin, je pouze několik mikrowattů.

Kdybychom chtěli tento výkon. zvětšit, museli bychom zvětšit proud procházející obvodem kolektoru (tj. kolektorový proud I_C). K tomu však potřebujeme (viz obr. 94a) zvětšit počet minoritních nosičů náboje v oblasti báze (v tranzistoru PNP počet děr). Tento požadavek splníme velmi snadno. Stačí, když napětím několik desetin voltu (větším než napětí U_T0 diody) otevřeme přechod emitor-báze (obr. 95a). Díry, které jsou majoritními nosiči náboje v emitoru, začnou procházet ve velikém množství do oblasti báze. Vytvářejí emitorový proud tranzistoru I_E. V oblasti báze jsou přicházející díry minoritními nosiči a přechod báze-kolektor je pro ně otevřen. Protože báze má poměrně malou tloušťku, prochází téměř celý emitorový proud až do kolektoru tranzistoru. Výkon v obvodu kolektoru dosáhne hodnoty I_CU_CB @ I_EU_CB, tzn. že mnohonásobně stoupne. Velikost emitorového proudu je možné řídit napětím U_BE. Podle konstrukčního provedení tranzistoru může být proud I_E několik miliampérů až ně-kolik desítek ampérů. Výkon ve výstupním obvodu pak může dosáhnout hodnoty až několik set wattů.

Z celkového počtu děr přicházejících z emitoru do báze stačí v oblasti báze rekombinovat jen velmi malá část, zpravidla méně než 1 %. Úbytek elektronů v bázi vzniklý rekombinací s dírami je vyrovnáván proudem báze I_B, který je tvořen elektrony přiváděnými ze záporného pólu zdroje U_BE. Z obr. 95 je zřejmé, že I_E = I_C + I_B

Rozdělení emitorového proudu na proud kolektoru a báze bere v úvahu též schématická značka tranzistoru PNP nakreslená na obr. 95b.

Podobným způsobem, kterým jsme vysvětlili činnost tranzistoru PNP, můžeme vysvětlit též činnost tranzistoru NPN. Dioda kolektor-báze je opět polarizována ve zpětném směru, aby z báze do emitoru mohli procházet jen minoritní nosiče náboje. V tomto případě jsou to však elektrony a technický směr proudu se označuje proti směru jejich pohybu. O to jsou v tranzistoru NPN představy složitější.

Stejně jako v tranzistoru PNP prochází i zde výstupním obvodem při proudu I_E = 0 pouze nepatrný proud. Otevřeme-li napětím U_BE přechod báze-emitor, přivedeme do oblasti báze z emitoru elektrony, jejichž převážná část pokračuje do kolektoru, kde vytvoří výstupní proud I_C. Jen malá část z počtu přicházejících elektronů se uzavírá přívodem k bázi. Do kladného pólu zdroje I_BE a tvoří proud báze I_B.

Závěr : Z obrázku 95 a 97 vidíme, že oba druhy tranzistorů se liší polaritou působících napětí a směry procházejících proudů. To bere též v úvahu značka NPN nakreslená na obr. 97b. Rozdílné jsou majoritní nositelé proudu.

Základní zapojení tranzistoru

                Tranzistor může být v obvodu zapojen třemi základními způsoby : se společnou bází (SB), se spol. emitorem (SE) a se spol kolektorem (SK). Je samozřejmé, že způsob zapojení nemůže mít vliv na vnitřní činnost tranzistoru. Různé chování tranzistoru  v jednotlivých základních zapojeních je způsobeno využitím různých jeho elektrod ve vstupním a ve výstupním obvodu.

                V dalším výkladu porovnáváme nejdůležitější vlastnosti tranzistoru NPN v těchto základních zapojeních. Veškeré závěry platí také pro tranzistory PNP. V zapojeních i v grafech je však nutné pro tranzistor PNP změnit polaritu všech napětích i smysly proudů.

                První informaci získáme v průběhu voltampérových charakteristik (tzv. statistických, tj. měřených ss proudem). Pro tranzistor se SB je naměříme v zapojeních podle obr.98.

                Budeme-li udržovat napětí U_CB konst. (např. U_CB = 10V) a budeme-li regulovat potenciometr  P₁ zapojením ve vstupním obvodu, získáme závislost proudu I_E na napětí U_BE, kterou nazýváme vstupní charakteristika. Její průběh pro křemíkové tranzistory je na obr.99a Odpovídá voltampérové charakteristice diody polarizované v přímém směru. Opakujeme-li měření při jiné hodnotě U_CB (např. U_CB = 3V), zjistíme, že průběh vstupní charakteristiky závisí na vstupním napětí U_CB jen velmi málo.

                Závislost vstupních proudů I_C na výstupním napětí U_CB nazýváme výstupní charakteristika. Můžeme ji určit při konstantním napětí U_BE (obr.99b) nebo při konst. proudu I_E (obr 99c).

                Pro tranzistor SE získáme statické charakteristiky v zapojení podle obr.100. Vstupní charakteristiku představující závislost vstupního napětí na vstupním proudu naměříme stejně jako v zapojení SB, budeme-li udržovat konst. výstupní napětí. Průběhy jsou nakresleny na obr.101a. Jejich závislost na vstupním napětí je podobně jako v zapojení SB velmi malá.

                Výstupní charakteristiky se měří opět při konst. vstupním napětí obr.101b nebo při konst. vstupním proudu obr 101c. Všimněte si, že výstupní charakteristiky se objevují od tzv. mezní přímky m tranzistoru, která prochází počátkem souřadnic a směřuje prudce vzhůru. Vlevo od mezní přímky nemůže z fyzikálních důvodů ležet žádný bod žádné vstupní charakteristiky.

                Pro zapojení SK se statistické charakteristiky neuvádějí, neboť všechny údaje, které bychom jejich pomocí mohli určit, je možně stanovit též z charakteristik platných pro zapojení SE.

Zbytkový proud tranzistoru a jeho kompenzace

                Zbytkovým proudem tranzistoru nazýváme proud procházející obvodem kolektoru v případě, že do vstupní elektrody (báze nebo emitoru) nepřivádíme proud. Zbytkový proud je podobně jako zpětný proud polovodičových diod  tvořený minoritními nosiči náboje uvolněnými ze základního polovodičového materiálu (vlastní vodivost) a s příměsí způsobujících obrácený typ nevlastní vodivosti, než má příslušná elektroda (důsledek některých výrobních postupů nebo nedokonalého vyčištění základního materiálu).

            V zapojení se společnou bází se zbytkový proud označuje I_CB0. Prochází diodou kolektor-báze (obr. 94a). Jeho velikost je závislá na materiálu tranzistoru, na rozměrech přechodu báze-kolektor a na teplotě. Typické hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2.

             V zapojení se společným emitorem označujeme zbytkový proud při odpojené bázi I_CE0 (obr.105a). Zpětný proud kolektor-báze prochází v tomto případě přes bázi až do emitoru a je vstupním proudem tranzistoru. Tranzistor tento proud zesílí h_21e krát, takže obvodem kolektoru prochází proud I_CB0 plus h_21e krát I_CB0. Proto platí vztah

                       I_CE=I_CB0(1+h_21e)

     Připojíme-li mezi bázi a emitor rezistor s odporem R_BE (obr. 105b), který tvoří bočník k diodě báze-emitor, odvede se část proudu diody báze-kolektor mimo přechod báze-emitor.Tím se zmenší také zesilovaná část tohoto proudu a zbytkový proud tranzistoru se zmenší. Označuje se I_CER. Závislost tohoto proudu na odporu rezistoru R_BE můžeme sledovat z charakteristik na obr.106. Všimněme si,že při R_BE=0 je I_CER=I_CB0.

Vliv teploty na vlastnosti tranzistoru

                Při zvyšování teploty se zvyšuje vlastní vodivost polovodiče. Nevlastní vodivost se nemění. Rostoucí vlastní vodivost polovodičového materiálu při vzrůstu teploty se v tranzistoru projevuje především těmito příznaky :

1.                    Růstem zbytkového proudu obr.107, z toho plynoucím zvětšováním proudu kolektoru, zkreslováním průběhu výstupních charakteristik (obr. 109) a zmenšováním dovolených napětí mezi elektrodami. Stejně jako pro zpětný proud diod plat i pro zbytkový proud tranzistoru, že při vzrůstu teploty o 1°C vzroste proud I_CB0 asi o 7%, tj. při zvětšování teploty o 10 °C vzroste proud I_CB0 na dvojnásobek.

2.                   Zmenšováním napětí báze-emitor. Tím dochází ke zkreslování tvaru vstupní charakteristiky. Příkladem je průběh nakreslený na obr.108. Ze změny napětí U_BE se dá vypočítat teplotní součinitel báze-emitor

Je záporný a má velikost několik mV/K

3.                    Změnou vlastností tranzistoru pro změny napětí a proudů (změnou dynamických vlastností). Dochází např. k růstu proudového zesilovacího činitele h_21E (viz obr.109). Např. pro tranzistor KF 508 byl v pracovním bodu (I_C = 10 mA, U_CE = 6V) naměřen při teplotě –50°C činitel h_21E = 48, při  20°C ěinitel h_21E =120 a při 100°C h_21E =180

Mezní hodnoty tranzistoru

                Aby při činnosti nedošlo k přetížení tranzistoru, a tím ke zkrácení doby jeho života nebo k jeho zničení , nesmí být překročeny určité tzv. mezní hodnoty působících veličin, které pro jednotlivé typy tranzistorů udává výrobce v katalogu. Protože nepříznivý vliv má na činnost tranzistoru také vyšší teplota, uvádějí se mezní teploty při určité teplotě okolí tranzistoru.

                K přetížení by mohlo dojít těmito vlivy :

-          velké napětí mezi elektrodami

-          velkým procházejícím proudem

-          vysokou teplotou přechodu v důsledku příliš velkého el. příkonu, který se mění v tranzistoru na teplo

Překročení přípustného napětí mezi elektrodami by mohlo způsobit napěťový průraz přechodu PN. Proto se udávají největší přípustná ss (trvale působící) napětí U_CBmax a U_CEmax. Dále jejich impulsové hodnoty U_CBMmax a U_CEMmax (trvání impulsu musí být uvedeno).

Překročení mezní hodnoty procházejícího mezního proudu má za následek zpravidla přerušení přívodu k elektrodám tranzistoru, proto se udávají opět přípustné trvale působící a impulsové hodnoty proudů I_Cmax, I_Emax, I_Bmax a I_CEMmax, I_EMmax, I_BMmax.

Příliš vysoká teplota přechodu může způsobit nevratné změny ve struktuře polovodičového krystalu. Oteplování tranzistoru je způsobeno elektronickým ztrátovým výkonem, který se mění v tranzistoru na teplo. Největší část z celkového tepla vzniká v přechodu báze-kolektor a z kolektoru je odváděno do okolí (vyzářením, vedením přívodu nebo různými druhy chladičů).

Výrobce udává mezní kolektorový ztrátový příkon P_cdov (dovolenou kolektorovou ztrátu), který se rovná největšímu el. příkonu., který se smí v kolektoru tranzistoru přeměnit na teplo, aniž by teplota přechodu přestoupila stanovenou mez. Je zřejmě, že P_cdov závisí na chlazení tranzistoru. Pro výpočet platí stejné vztahy jako pro anodovou ztrátu a chlazení polovodičových diod.  Např. pro tranzistor KF508 se uvádí : tepelný odpor R_th = 220^oC/W a u_jmax = 200 ^oC. Pro teplotu okolí u_a = +30 ^oC. Vypočteme :

Z uvedených vztahů a z průběhů mezní přímky plyne možná pracovní oblast tranzistoru pro určitou teplotu okolí u_a , jak ukazuje obrázek 110. Hodnoty I_Cmax a U_CEmax  zjistíme v katalogu. Hyperbolu graficky  znázorňující dovolenou kolektorovou ztrátu P_Cdov (tj. množinu všech pracovních bodů ve výstupních charakteristikách, pro které je U_CEI_C = P_Cdov podle vztahu . Potom postupně zvolíme např. několik hodnot napětí U_CE a ze vztahu je P_Cdov = U_CEI_C vypočítáme odpovídající proudy I_C. Graf je sestrojen pro dvě teploty okolí na obr. 110.

Druhy bipolárních tranzistorů podle způsobu výroby

Slitinový tranzistor

Přechody báze-kolektor a báze-emitor jsou vyráběny sléváním každý z jedné strany základní destičky, která tvoří bázi (obr. 111a). Aby byl tranzistor schopen zesilovat signál vysokých frekvencí, musí nosiče náboje přicházet bází co nejrychleji. Proto by měla být její tloušťka co nejmenší.

Slitinovou technologií se dosahuje nejmenší tloušťky báze (asi 10 – 50 mm), což omezuje zesilované frekvence na několik MHz.

Slitinově difúzní tranzistor

Tento typ tranzistoru je nakreslen na obr.111b. Do povrchu základní destičky, která tvoří kolektor, je shora difůzí vytvořena báze. Emitor je vyroben slitinovou technologií. Proti slitinovému tranzistoru je možno dosáhnout tenčí báze (několik mikrometrů). Tím se zmenší zbytková proud a zvětší se proudový zesilovací činitel. Difůzí vzniklo nerovnoměrné rozložení příměsí v bázi. Proto se po připojení na napětí mezi elektrody tr. objeví v oblasti báze nerovnoměrné elektrostatické pole, které urychluje nosče náboje pocházející z emitoru od kolektoru. Nosiče náboje projdou bází velmi rychle, takže tento tr. je schopen zpracovat i značně vysoké frekvence (několik desítek megahertzů). Kolektor je připájen na kovovou destičku, která dobře odvádí teplo z tr. Proto je možné vyrábět tyt tr. také pro velké výkony.

Tranzistor mesa

Dalšímu zvyšování frekvence signálů zesilovaných tranzistorem brání kapacita přechodu báze-kolektor, která dovoluje průchod stř proudu z výstupu tr. opět do vstupu. Snaha po zmenšení této kapacity vedla k výrobě tr. mesa, které mají plochu přechodu báze-kolektor velmi zmenšenou. Vývody emitoru a báze jsou co nejblíže u sebe a zbývající část přechodu báze-kolektor je odleptána (obr.111c). Báze je opět vyrobena difúzí a emitor sléváním. Tr. mesa pracují až do frekvence několika desítek MHz.

Difúzně epitaxní tranzistor

Zjednodušeně je nakreslen na obr.112a. Na silně dotované základní destičce N⁺ nazývané substrát je vytvářena méně dotovaná epitaxní vrstva vodivosti typu N, která tvoří kolektor. Do jeho povrchu je difúzí provedena báze a do povrchu báze opět difúzí silně dotovaný emitor.

Proti tr. mesa se dosahuje menších tloušek báze (větších hodnot proudového zesilovacího činitele) a užších tolerancí všech vlastností tr. Vrstva N⁺ pod vrstvou N zmenšuje odpor mezi kolektorem a emitorem  při úplném otevření tr. a zrychluje odvádění nosičů náboje z kolektoru do vnějšího obvodu. Tím se zlepšují vlastnosti tr. při spínání větších proudů.

Epitaxně planární tranzistor

Základem tranzistoru je opět bohatě dotovaná destička z křemíku (substrát N⁺). Na ní se vytvoří epitaxní vrstva tlustá několik mikrometrů. Po jejím dokončení se povrch celého monokrystalu okysličí, a tím se chrání před vlivem okolního prostředí. Z místa, ve kterém má vzniknout báze. se kysličník odleptá. Pak se difúzí vytvoří báze a cely krystal se opět okysličí. Podobným způsobem se vytvoří též emitor a opět dojde k okysličení povrchu celého tranzistoru. Kysličník se odstraní jen z míst přes které se napaří kovová vrstva umožňující připojit vývody báze a emitoru.

Všechny části tranzistoru jsou chráněny kysličníkem. a proto má planárně epitaxní tranzistor dlouhodobě velmi stálé vlastnosti. Protože místa, ve kterých vycházejí na povrch krystalu okraje vrstev tvořících přechody PN, jsou také přikryta kysličníkem, který má velmi dobré izolační vlastnosti, zmenší se povrchové svodové proudy mezi elektrodami tranzistoru na velmi malou hodnotu. To je příčinou podstatného zmenšení sumu planárně epitaxních tranzistorů ve srovnání s dříve popsanými typy.

Jak jsme se již zmínili, závisí schopnost tranzistoru zesilovat signály vysoké frekvence značně na době, za kterou projdou nosiče náboje oblastí báze. Tuto dobu je možné do určité míry zkrátit urychlováním nosičů náboje elektrickým polem působícím v bázi (tranzistor s difundovanou bází a další typy). Zároveň je nutné volit materiály s velkou pohyblivostí nosičů náboje. Arzenid galia, který má ze všech materiálu, jejichž výroba je v sou-časné době dostatečně propracována, největší pohyblivost nosičů náboje, se použít nedá. Nosiče náboje v GaAs mají totiž velmi krátkou dobu života (řádu 10-10 s), a proto by došlo v oblasti báze ke značné rekombinaci nosičů. Takový tranzistor by měl veliký zbytkový proud a malé proudové zesílení. Proto se nejčastěji používá křemík. Volí se tranzistory typu NPN, aby nosiče náboje, které musí bází projít, byly elektrony, neboť pohyblivost elektronů je vždy větší než pohyblivost děr.