Polarizarea tranzistorului bipolar

Polarizarea tranzistorului bipolar

Tranzistorul bipolar este un dispozitiv electronic format din trei regiuni semiconductoare de conductibilitate diferita (n sau p), conductia curentului fiind asigurata de cele doua tipuri de purtatori de sarcina si anume electronii, respectiv golurile. În functie de dispunerea celor trei regiuni semiconductoare, tranzistoarele bipolare se împart în doua tipuri distincte: npn si pnp. Structura, precum si simbolurile tranzistoarelor, împreuna cu sensul de referinta pentru curenti, respectiv tensiuni sunt prezentate în figura #-1.

Cele trei terminale ale tranzistorului bipolar se numesc emitor (E), baza (B) si colector (C). Se observa ca un tranzistor bipolar se compune din doua jonctiuni pn legate în opozitie. Jonctiunea dintre emitor si baza se numeste jonctiunea emitoare, iar cea dintre baza si colectorul tranzistorului se numeste jonctiunea colectoare. Pentru ca cele doua jonctiuni sa formeze un tranzistor este necesar ca ele sa se influenteze reciproc. Pentru aceasta trebuie sa fie îndeplinite anumite conditii dintre care cele mai importante sunt:

- latimea bazei sa fie mult mai mica fata de lungimea de difuzie a purtatorilor de sarcina electrica

emitorul sa fie mult mai puternic dopat cu impuritati decât baza

Tensiunile, respectiv curentii tranzistorului bipolar respecta relatiile:

    (#.1)

Pentru functionarea tranzistoarele bipolare ca amplificatoare trebuie ca jonctiunea emitoare sa fie polarizata direct, iar jonctiunea colectoare sa fie polarizata invers (se spune ca tranzistorul este polarizat în regiunea activa normala de functionare-RAN). Jonctiunea emitoare fiind polarizata direct, un procent mare din purtatorii de sarcina injectati din emitor în baza vor strabate regiunea subtire a bazei si vor ajunge în apropierea regiunii de tranzitie a jonctiunii colectorului, de unde vor fi antrenati spre regiunea de colector de catre câmpul electric existent în aceasta zona. Astfel, printr-o jonctiune polarizata invers se asigura circulatia unui curent de valoare egala cu valoarea curentului ce strabate o jonctiune polarizata direct. Controlul curentului printr-o jonctiune polarizata invers de catre curentul unei jonctiuni polarizate direct constituie efectul de tranzistor.

Conform cu cele expuse mai sus se poate scrie relatia matematica:

(#.2)

unde a_F reprezinta factorul de amplificare în curent în conexiunea baza comuna a tranzistorului (valoarea acestuia fiind aproximativ 0,9), iar I_CB0 este curentul invers prin jonctiunea colectoare când emitorul tranzistorului este lasat în gol (de ordinul nA pentru tranzistoarele din Si si de ordinul mA pentru tranzistoarele din Ge), valoarea acestuia fiind foarte mica comparativ cu curentii uzuali prin terminalele tranzistorului polarizat în RAN. Ţinând cont de relatia (#.1), relatia (#.2) se mai poate scrie sub forma:

(#.3)

unde b_F unde reprezinta factorul de amplificare în curent în conexiunea emitor comun a tranzistorului (valoarea uzuala a acestuia fiind de ordinul sutelor), iar I_CE0 este curentul ce se scurge între emitorul si colectorul tranzistorului când baza acestuia este lasata în gol, valoarea acestuia fiind neglijabila în raport cu curentii prin    terminalele tranzistorului. Din relatiile (#.2) si (#.3), tinând cont de valorile neglijabile ale curentilor I_CB0 si I_CE0 rezulta aproximatiile:

(#.4)

Dupa cum se observa din relatia de mai sus, tranzistoarelor bipolare le este caracteristic fenomenul de amplificare al curentului din baza, factorul de amplificare în curent fiind egal cu b_F

Pentru masurarea factorului de amplificare în curent b_F al tranzistorului, se utilizeaza schema din figura #-2, tinându-se cont de relatia (#.4) daca tranzistorul este din Si si de relatia (#.3) daca tranzistorul este din Ge, în acest ultim caz fiind necesara si masurarea curentului I_CE0 pe acelasi circuit dar cu baza tranzistorului lasata în gol.

În functie de modul în care sunt polarizate cele doua jontiuni pn ale tranzistorului bipolar se disting patru regiuni în care acesta poate functiona:

- regiunea activa normala (RAN), în care jonctiunea emitorului este polarizata direct, iar jonctiunea colectorului este polarizata invers.

- regiunea activa inversa (RAI), în care jonctiunea emitorului este polarizata invers, iar jonctiunea colectorului este polarizata direct, sensul curentilor prin tranzistor fiind invers fata de cazul în care tranzistorul este polarizat în RAN.

- regiunea de saturatie (RS), în care ambele jonctiuni sunt polarizate direct, iar curentii prin tranzistor au valori mai mari decât în RAN, în timp ce tensiunea V_CE a tranzistorului are o valoare mica (uzual se considera egala cu 0,1V),.

- regiunea de blocare (RB) în care care ambele jonctiuni sunt polarizate invers, iar curentii prin tranzistor sunt nuli în timp ce tensiunea V_CE are valoare maxima.

Modul în care sunt polarizate cele doua jonctiuni ale tranzistorului, deci implicit si modul în care functioneaza acesta depinde de circuitul utilizat pentru polarizarea tranzistorului (circuitul de polarizare). De regula, în circuitele analogice, polarizarea tranzistoarelor se face în RAN, regim în care tranzistorul manifesta functia de amplificare liniara a semnalelor. În urma polarizarii, prin, respectiv pe tranzistor se stabilesc anumiti curenti, respectiv tensiuni continue (polarizarea se face de la o sursa de tensiune continua). Functionarea tranzistorului în regim static poate fi caracterizata numai printr-o pereche de marimi curent-tensiune, restul marimilor electrice ale tranzistorului putând fi determinate din relatiile (#.1) si (#.4) în care se tine cont ca tensiunea V_BE este egala cu tensiunea de deschidere a jonctiunii pn. Pentru caracterizarea functionarii tranzistorului în regim de curent continu se considera perechea de marimi I_C-V_CE daca tranzistorul este conectat în conexiunea EC sau CC si perechea de marimi I_C-V_CB daca tranzistorul este conectat în conexiunea BC. Cele doua marimi considerate (de exemplu I_C-V_CE) definesc punctul static de functionare al tranzistorului (prescurtat PSF).

În figura #-3.a. se prezinta cel mai simplu circuit de polarizare, curentul în baza tranzistorului bipolar fiind asigurat de catre rezistenta de polarizare R_B.

Pentru determinarea acestuia se aplica teorema lui Kirkhoff 2 pe ochiul care contine numai jonctiunea emitoare a tranzistorului:

(#.5)

relatie din care, apelând la aproximatia (#.4), rezulta curentul I_C:

    (#.6)

Pentru a determina tensiunea V_CE se aplica teorema lui Kirkhoff 2 pe ochiul care contine acesta tensiune:

(#.7)

În planul caracteristicilor de iesire i_C=i_C(v_CE) ale unui tranzistor bipolar, ecuatia (#.7) reprezinta ecuatia unei drepte care se numeste dreapta de sarcina statica si este locul geometric al tuturor PSF-urilor posibile, în functie de valorile componentelor circuitului de polarizare.

Din punct de vedere grafic, PSF-ul tranzistorului (caracterizat de perechea I_C-V_CE) se determina prin intersectia dreptei de sarcina statica determinata prin ecuatia (#.7) cu caracteristica statica de iesire, corespunzatoare curentului din baza, impus de circuitul de polarizare.

În circuitele de amplificare realizate cu tranzistoare bipolare, în baza tranzistoarelor se aplica un semnal care determina o variatie a curentului de baza în jurul valorii stabilite (prin polarizare) în regim stationar. Drept urmare, curentul de colector si tensiunea colector-emitor vor varia în jurul valorilor din PSF. Daca semnalul din baza tranzistorului este sinusoidal, atunci aceste marimi se vor deplasa de-a lungul dreptei de sarcina dinamica (determinata ca în regim static, dar pe circuitul valabil în regim dinamic) în stânga si în dreapta valorii din PSF. Pentru ca variatia acestor marimi sa fie cât mai mare fara a se intra în regiunile de saturatie sau de blocare a tranzistorului (caz în care forma de unda a semnalului de la iesirea amplificatorului ar rezulta distorsionata), PSF-ul se alege de regula cât mai aproape de mijlocul dreptei de sarcina (V_CE=V_CC/2).

Pe lânga rolul de a asigura polarizarea tranzistorului în regiunea de functionare dorita, circuitul de polarizare mai are rolul de a mentine PSF-ul constant (în special a curentului I_C) la variatiile conditiilor de functionare (variatii ale temperaturii de lucru, ale tensiunii de alimentare sau ale parametrilor dispozitivelor electronice). Deoarece factorul de amplificare în curent al tranzistorului b_F prezinta o mare dispesie de valori în cadrul aceleiasi serii de fabricatie si o puternica dependenta de temperatura, circuitele de polarizare trebuie sa fie astfel concepute încât curentul I_C sa fie cât mai putin dependent de b_F. În circuitele de polarizare se mai are în vedere anularea efectelor determinate de variatia tensiunii V_BE cu temperatura (scade cu 2mV/⁰C), iar pentru tranzistoarele de Ge si a efectului variatiei curentului I_CB0 (care creste puternic cu temperatura).

Revenind la anularea efectului lui b_F, se observa ca ciruitul din figura #-3.a nu ofera o suficienta stabilizare a valorii PSF-ului datorita relatiei direct proportionale dintre curentul I_C si b_F

O stabilizare mai buna a PSF-ului se obtine pentru circuitul de polarizare din figura #-3.b. Rezistenta R_E din circuit introduce o reactie negativa în curent continuu, care determina stabilizarea PSF-ului la variatiile conditiilor de lucru. Astfel, daca la un moment dat curentul I_C creste, tensiunea pe rezistenta R_E creste, ceea ce determina micsorarea tensiunii V_BE si implicit a curentului I_C, obtinându-se în final o stabilizare a lui I_C. Expresia acestui curent se obtine aplicând teorema lui Kirkhoff 2 pe ochiul care contine numai jonctiunea emitoare:

    (#.8)

Daca în relatia de mai sus termenul dominant al numitorului ar fi produsul b_FR_E atunci I_C nu ar mai depinde de b_F si ar rezulta mai stabil la variatiile conditiilor de lucru sau a dispersiei parametrilor dispozitivelor electronice. Pentru aceasta trebuie îndeplinita conditia:

    (#.9)

În realizarile practice ale circuitului din figura #-3.b, pentru valori uzuale ale curentilor prin tranzistor (de ordinul miliamperilor pentru un tranzistor polarizat în RAN), rezistenta R_B rezulta de valori foarte mari, (ordinul sutelor de kW MW), Asadar conditia (#.9) este dificil de îndeplinit. Din acest motiv se apeleaza la circuitul de polarizare prezentat în figura #-3.c, în care polarizarea tranzistorului se realizeaza prin intermediul unui divizor rezistiv R_B1-R_B2 conectat în baza acestuia.

În acest caz curentul de colector I_C rezula:

    (#.10)

unde V_BB si R_B sunt tensiunea echivalenta, respectiv rezistenta echivalenta deteminate prin teorema lui Thevenin aplicata pentru divizorul rezistiv. Se observa ca relatia (#.10) are aceeasi forma ca relatia (#.8), deci pentru ca I_C sa nu depinda de b_F este necesar a fi îndeplinita conditia (#.9). Spre deosebire de dificultatile întâlnite în cazul circuitului de polarizare din figura #-3.b, acum este usor de îndeplinit aceasta conditie datorita faptului ca pentru rezistenta R_B1 se pot alege valori suficient de mici fara a afecta polarizarea în RAN a tranzistorului. În afara de circuitele elementare de polarizare prezentate în figura #-3, exista si alte metode de stabilizare a PSF-ului la variatiile conditiilor de lucru, cum ar fi introducerea în circuit a unor diode de compensare termica sau a termistoarelor.

Evaluarea practica a circuitelor de polarizare elementare

L.1. Se realizeaza montajul din figura #-2 (în care tranzistorul este din Si). Se stabileste valoarea tensiunii V_BB astfel încât curentul I_C sa fie egal cu 5mA (valoare citita pe ampermetrul pozitionat pe gama de 25mA) si se citeste valoarea lui I_B (ampermetrul va fi pozitionat pe gama de 50mA) dupa care se calculeaza factorul de amplificare în curent al tranzistorului b_F

L.2. Se determina dreapta de sarcina statica a tranzistorului. În acest scop se realizeaza montajul din figura #-5.a si se citesc valorile lui V_CE    completându-se tabelul Nr.1. Valoarea curentului I_C se regleaza cu ajutorul potentiometrului P din baza tranzistorului. Masuratorile se fac pentru V_CC1=10V si V_CC2=12V cu voltmetrul pozitionat pe gama de 10V si ampermetrul pozitionat pe gama de 5mA.

Tabel    1

L.3. În figura #-5.a, se înlocuieste rezistenta de 2,2kW din colector cu o rezistenta de 1kW si se repeta masuratorile efectuate la punctul L.2, conform tabelului nr.1, pentru ambele valori ale tensiunilor de alimentare. Ampermetrul va fi pozitionat pe gama de 25mA.

L.4. În montajul din figura #-5.a, pentru R_C=2,2kW si V_CC=10V se fixeaza V_CE=5V (variind P) si se citeste valoarea lui I_C. Se apropie la circa 10mm de tranzistor un bec aprins de 40W si se mentine timp de un minut. Se citesc valorile finale pentru V_CE si I_C si se trec în tabelul.2. Se observa variatia PSF-ului la variatia temperaturii de lucru.

Tabel.2

L.5. Se introduce în emitorul tranzistorului o rezistenta R_E=510W (figura #-5.b) si se readuce V_CE la valoarea de 5V (V_CC=10V). Se citeste noua valoare a lui I_C si se efectueaza proba de încalzire descrisa la punctul L.4, completându-se tabelul 2.   

L.6. Se realizeaza montajul din figura #-5.c si se masoara tensiunile V_CE si V_RE si se calculeaza curentul I_C=V_RE/R_E (V_CC=10V). Se efectueaza proba de încalzire ca la punctul L.4 si se completeaza tabelul 2.