Regimul de lucru si procesele fizice în 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
În 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. În fiecare din cele trei scheme de conectare a tranzistorului acesti parametri poseda valori determinate. Ele sunt prezentate sub forma urmatoare:
Primul indice în reprezentare determina pinul prin care circula curentul, al doilea - schema de conectare, al treilea, conditiile în regiunea ramasa a schemei ("0" - lipsa curentului, adica mers în gol; "S" - scurtcircuit).
Regim de saturatie
În 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 înalta si poate fi considerata ca scurtcircuitata.
Parametrii statici reprezinta
curentii de saturatie ,
,
si tensiunile de rest (
,
).
Raportând marimile tensiunilor si curentilor, obtinem rezistenta de saturatie:
;
.
1.3.4. Regimul activ
În 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 în tranzistorul bipolar (regim activ)
Principiul de functionare a tranzistorului bipolar în 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 în regiunea bazei;
extragerea purtatorilor minoritari din baza în regiunea colectorului prin intermediul câmpului electric, format de jonctiunea colectorului.
Injectia purtatorilor de
sarcina duce la trecerea prin jonctiunea emitorului a curentilor
de difuzie (a golurilor si electronilor
). În circuitul extern al emitorului circula curentul de
injectie:
. (1.2)
Pentru structura
tranzistorului tip p-n-p
relatia între concentratiile impuritatilor din
regiunile emitorului si bazei
se determina ca:
.
Din aceste
considerente se obtine .
Relatia între componentele curentului emitorului pot fi apreciate cu ajutorul coeficientului de injectie
. (1.3)
Injectia purtatorilor de sarcina din emitor în baza mareste concentratia purtatorilor minoritari în regiunea bazei. Concentratia lor la frontiera jonctiunii emitorului pentru structura tip p-n-p se determina din relatia:
. (1.4)
Sarcina golurilor,
aparute momentan în apropierea jonctiunii emitorului (~ 10-17 s), se compenseaza
cu sarcina electronilor, ce patrund în baza de la sursa de alimentare
UEB. Circuitul emitor -
baza devine blocat si asigura circulatia curentului
emitorului. Majorarea concentratiei electronilor si a golurilor în
apropierea jonctiunii emitorului formeaza gradientul
concentratiei purtatorilor de sarcina în 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 în baza,
are loc si recombi-narea lor cu
electronii. În locul electronilor care se recombina în regiunea bazei din
circuitul extern al sursei de alimentare UEB
sunt injectati alti electroni, formând 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 în regiunea bazei din cauza recombinarii este
nesemnificativa, iar curentul de recombinare
este mai mic decât
curentul emitorului
cu un ordin-doua.
Golurile injectate de emitor în regiunea bazei se apropie de jonctiunea colectorului polarizata indirect, nimerind în câmpul de accelerare a acestei jonctiuni si sunt transferate în colector. În 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 cât mai multe goluri sunt injectate din
emitor în baza, cu atât mai major este curentul colectorului. Din aceste
considerente curentul este proportional cu curentul emitorului si se
numeste curentul dirijat al colectorului. Utilizând relatiile (1.3)
si (1.5), se obtine
. (1.6)
Coeficientul
este numit coeficient
integral de transfer al curentului emitorului în circuitul colectorului.
Daca apelam la relatiile (1.3), (1.5), primim:
. (1.7)
Posibilitatea de dirijare cu curentul de iesire al tranzistorului, modificând valoarea curentul de intrare, este o proprietate importanta a tranzistorului bipolar, ceea ce ofera posibilitatea de a-l utiliza în calitate de element activ în circuitele electronice.
În
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 în
schema de cuplare BC; 0 - masurarile au loc pentru
, adica pentru regim mers în gol la intrare.
Directia curentului de scurgere a colectorului
corespunde cu componenta dirijata a curentului
colectorului si de aceea
. (1.8)
Curentul în circuitul bazei
este orientat invers curentului de recombinare în baza
si curentului de
injectie
. (1.9)
În
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 în tranzistorul tip n-p-n, cu unica deosebire ca în loc de goluri trebuie sa vorbim despre electroni si invers. Directiile curentilor continui si polarizarea tensiunilor de alimentare ce corespund regimului activ sunt prezentate în fig.1.3.
În circuitele EC si CC (fig.1.3) curentul de dirijare este curentul bazei, iar relatia pentru curentul colectorului (1.8) poate fi scrisa în felul urmator:
;
;
, (1.11)
unde:
este coeficientul de
amplificare dupa curent în schema de cuplare EC;
- componenta
nedirijata a curentului colectorului în 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
În regim de inversie jonctiunea emitorului este cuplata invers, iar jonctiunea colectorului direct. De aceea, în comparatie cu regimul activ, în regim de inversie injectia purtatorilor de sarcina este înfaptuita de jonctiunea colectorului, iar extractia purtatorilor de jonctiunea emitorului. Practic, emitorul si colectorul îsi schimba functia si pozitia în circuit.
Pentru schema de cuplare BC:
, (1.13)
unde este coeficientul de
transfer invers.
Deoarece suprafata
jonctiunii emitorului este cu mult mai mica decât 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
În relatia (1.7) pentru coeficientul static
de amplificare a curentului emitorului :
Relatia pentru curentul colectorului , unde
este parametrul static
al regimului activ, indica legatura dintre componentele respective în 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 în schema BC, care întotdeauna este mai mare decât
.
1.3.7. Modelul Ebers-Moll
Legatura dintre curentii si tensiunile tranzistorului bipolar pentru cele patru modalitati de cuplare în circuit pot fi studiate cu ajutorul modelului matematic Ebers-Moll, bazat pe schema echivalenta formata din doua diode conectate una în întâmpinarea 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
în regim scurtcircuit în partea corespunzatoare a schemei. Luând în
considerare (1.18) si (1.19) relatiile (1.17) pot fi scrise sub
forma:
; (1.20)
; (1.21)
. (1.22)
|