Regimul de lucru si procesele fizice in tranzistorul bipolar

Regimul de lucru si procesele fizice īn tranzistorul bipolar

Denumirea jonctiunii

Conectarea jonctiunii

Denumirea regimului de functionare a tranzistorului

Jonctiunea emitorului

Jonctiunea colectorului

Inversa

Inversa

Regim de blocaj

Jonctiunea emitorului

Jonctiunea colectorului

Idirecta

Idirecta

Regim de saturatie

Jonctiunea emitorului

Jonctiunea colectorului

Directa Dnversa

Regim activ

Jonctiunea emitorului

Jonctiunea colectorului

Inversa Directa

Regim de inversie

1.3.2. Regim de blocaj

Īn regim de blocaj ambele jonctiuni p-n sunt polarizate indirect. Prin bornele tranzistorului circula curentii de scurgere a jonctiunilor polarizate indirect, care reprezinta parametrii statici ai regimului dat. Īn fiecare din cele trei scheme de conectare a tranzistorului acesti parametri poseda valori determinate. Ele sunt prezentate sub forma urmatoare:

• pentru circuitul cu BC - ;
• pentru circuitul cu EC - ;
• pentru circuitul cu CC - .

Primul indice īn reprezentare determina pinul prin care circula curentul, al doilea - schema de conectare, al treilea, conditiile īn regiunea ramasa a schemei ("0" - lipsa curentului, adica mers īn gol; "S" - scurtcircuit).

Regim de saturatie

Īn regimul de saturatie ambele jonctiuni p-n sunt polarizate direct, jonctiunile sunt saturate cu purtatori de sarcina mobili, rezistentele lor sunt reduse. Regiunea E-C poseda o conductibilitate īnalta si poate fi considerata ca scurtcircuitata.

Parametrii statici reprezinta curentii de saturatie ,, si tensiunile de rest (,).

Raportānd marimile tensiunilor si curentilor, obtinem rezistenta de saturatie:

; .

1.3.4. Regimul activ

Īn fig.1.4 este reprezentat modelul plan unidimensional al tranzistorului bipolar, jonctiunea emitor a careia este polarizata direct, iar cea a colectorului indirect. Aceasta conectare corespunde regimului activ.

Fig.1.4. Miscarea purtatorilor de sarcina si curentii īn tranzistorul bipolar (regim activ)

Principiul de functionare a tranzistorului bipolar īn regim activ se bazeaza pe utilizarea urmatoarelor fenomene:

injectia purtatorilor de sarcina prin jonctiunea emitorului;

purtatorii injectati prin baza care circula drept rezultat al fenomenelor de difuzie si drift;

recombinarea purtatorilor de sarcina īn regiunea bazei;

extragerea purtatorilor minoritari din baza īn regiunea colectorului prin intermediul cāmpului electric, format de jonctiunea colectorului.

Injectia purtatorilor de sarcina duce la trecerea prin jonctiunea emitorului a curentilor de difuzie (a golurilor si electronilor ). Īn circuitul extern al emitorului circula curentul de injectie:

. (1.2)

Pentru structura tranzistorului tip p-n-p relatia īntre concentratiile impuritatilor din regiunile emitorului si bazei se determina ca:

.

Din aceste considerente se obtine .

Relatia īntre componentele curentului emitorului pot fi apreciate cu ajutorul coeficientului de injectie

. (1.3)

Injectia purtatorilor de sarcina din emitor īn baza mareste concentratia purtatorilor minoritari īn regiunea bazei. Concentratia lor la frontiera jonctiunii emitorului pentru structura tip p-n-p se determina din relatia:

. (1.4)

Sarcina golurilor, aparute momentan īn apropierea jonctiunii emitorului (~ 10^-17 s), se compenseaza cu sarcina electronilor, ce patrund īn baza de la sursa de alimentare U_EB. Circuitul emitor - baza devine blocat si asigura circulatia curentului emitorului. Majorarea concentratiei electronilor si a golurilor īn apropierea jonctiunii emitorului formeaza gradientul concentratiei purtatorilor de sarcina īn baza ( si ). Sub actiunea gradientului concentratiei purtatorilor de sarcina se produce miscarea de difuzie a golurilor si electronilor prin regiunea bazei de la emitor spre colector.

Concomitent cu difuzia golurilor īn baza, are loc si recombi-narea lor cu electronii. Īn locul electronilor care se recombina īn regiunea bazei din circuitul extern al sursei de alimentare U_EB sunt injectati alti electroni, formānd curentul de recombinare al bazei , alaturi de curentul electronilor injectati . Deoarece latimea bazei este considerabil mai mica ca lungimea de difuzie a purtatorilor de sarcina , micsorarea concentratiei purtatorilor de sarcina īn regiunea bazei din cauza recombinarii este nesemnificativa, iar curentul de recombinare este mai mic decāt curentul emitorului cu un ordin-doua.

Golurile injectate de emitor īn regiunea bazei se apropie de jonctiunea colectorului polarizata indirect, nimerind īn cāmpul de accelerare a acestei jonctiuni si sunt transferate īn colector. Īn asa mod se formeaza componenta dirijata a curentului colectorului:

.

Procesul de tranzitie a purtatorilor de sarcina minoritari prin baza este caracterizat de coeficientul de transfer .Coeficientul de transfer depinde de largimea bazei si lungimea de difuzie a golurilor

. (1.5)

Cu cāt mai multe goluri sunt injectate din emitor īn baza, cu atāt mai major este curentul colectorului. Din aceste considerente curentul este proportional cu curentul emitorului si se numeste curentul dirijat al colectorului. Utilizānd relatiile (1.3) si (1.5), se obtine

. (1.6)

Coeficientul este numit coeficient integral de transfer al curentului emitorului īn circuitul colectorului. Daca apelam la relatiile (1.3), (1.5), primim:

.    (1.7)

Posibilitatea de dirijare cu curentul de iesire al tranzistorului, modificānd valoarea curentul de intrare, este o proprietate importanta a tranzistorului bipolar, ceea ce ofera posibilitatea de a-l utiliza īn calitate de element activ īn circuitele electronice.

Īn afara de componenta dirijata a curentului colectorului prin electrodul colectorului circula si componenta nedirijata a curentului, numita curentul de scurgere a jonctiunii p-n polarizate indirect. El este analogic curentului diodei semiconductoare cuplate indirect si de aceea a primit denumirea de curentul de scurgere al colectorului . Aici indicii "C" indica curentul jonctiunii colectorului cuplate indirect; "B" - masurarile au loc īn schema de cuplare BC; 0 - masurarile au loc pentru , adica pentru regim mers īn gol la intrare. Directia curentului de scurgere a colectorului corespunde cu componenta dirijata a curentului colectorului si de aceea

. (1.8)

Curentul īn circuitul bazei este orientat invers curentului de recombinare īn baza si curentului de injectie

. (1.9)

Īn circuitul emitorului curentul de injectie se determina ca suma curentului colectorului si curentul bazei :

. (1.10)

Relatiile (1.8) si (1.10) determina legatura dintre curentii tranzistorului si sunt adecvate pentru oricare din circuitele de conectare.

Procese analogice au loc si īn tranzistorul tip n-p-n, cu unica deosebire ca īn loc de goluri trebuie sa vorbim despre electroni si invers. Directiile curentilor continui si polarizarea tensiunilor de alimentare ce corespund regimului activ sunt prezentate īn fig.1.3.

Īn circuitele EC si CC (fig.1.3) curentul de dirijare este curentul bazei, iar relatia pentru curentul colectorului (1.8) poate fi scrisa īn felul urmator:

;

;

, (1.11)

unde:

este coeficientul de amplificare dupa curent īn schema de cuplare EC; - componenta nedirijata a curentului colectorului īn schema EC, sau curentul de scurgere a tranzistorului bipolar.

Pentru schema CC curentul de iesire este curentul emitorului. Din aceste considerente

;

,

sau

,

unde

. (1.12)

1.3.5. Regim de inversie

Īn regim de inversie jonctiunea emitorului este cuplata invers, iar jonctiunea colectorului direct. De aceea, īn comparatie cu regimul activ, īn regim de inversie injectia purtatorilor de sarcina este īnfaptuita de jonctiunea colectorului, iar extractia purtatorilor de jonctiunea emitorului. Practic, emitorul si colectorul īsi schimba functia si pozitia īn circuit.

Pentru schema de cuplare BC:

, (1.13)

unde este coeficientul de transfer invers.

Deoarece suprafata jonctiunii emitorului este cu mult mai mica decāt cea a jonctiunii colectorului si , atunci .

Pentru schema CC

. (1.14)

Pentru schema EC

. (1.15)

1.3.6. Coeficientul diferential de amplificare dupa curent

Īn relatia (1.7) pentru coeficientul static de amplificare a curentului emitorului :

• coeficientul de injectie caracterizeaza eficacitatea jonctiunii emitorului;
• coeficientul de transfer de difuzie caracterizeaza procesele ce au loc īn baza - difuzia si recombinarea purtatorilor de sarcina;
• coeficientul M se introduce pentru a lua īn considerare procesele īn jonctiunea colectorului si, de regula, .

Relatia pentru curentul colectorului , unde este parametrul static al regimului activ, indica legatura dintre componentele respective īn curent continuu. Coeficientul este determinat de relatia . Aceasta formula arata legatura dintre componentele curentului de dirijare si valoarea curentului de iesire .

Pentru semnale alternative, amplitudinea carora este cu mult mai mica ca valoarea tensiunii de alimentare, legatura dintre curentii colectorului si emitorului este determinata de relatia diferentiala (1.7) ca functie de doua argumente pentru , adica

sau

, (1.16)

unde este coeficientul diferential de amplificare dupa curent īn schema BC, care īntotdeauna este mai mare decāt .

1.3.7. Modelul Ebers-Moll

Legatura dintre curentii si tensiunile tranzistorului bipolar pentru cele patru modalitati de cuplare īn circuit pot fi studiate cu ajutorul modelului matematic Ebers-Moll, bazat pe schema echivalenta formata din doua diode conectate una īn īntāmpinarea celeilalte si a doua surse de curent continuu care indica interactiunea dintre aceste diode (fig.1.5).

Fig.1.5. Schema echivalenta a tranzistorului bipolar

dupa modelul Ebers-Moll

; ; (1.17)

; (1.18)

, (1.19)

unde si prezinta curentii de scurgere ai jonctiunilor emitorului si colectorului, masurate īn regim scurtcircuit īn partea corespunzatoare a schemei. Luānd īn considerare (1.18) si (1.19) relatiile (1.17) pot fi scrise sub forma:

; (1.20)

; (1.21)

. (1.22)