Bolum 4 - The Bipolar Junction Transistor

Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 1 Dr. İsmail TEKİN

4. BÖLÜM: BİPOLAR JONKSİYON TRANZİSTÖRLER

4.1. Bipolar Jonksiyon Tranzistörün Temel Yapısı

Bipolar jonksiyon tranzistörler (BJT), iki n tipi yarıiletken bölge arasına ince bir p

tipi yarıiletken (npn tranzistör) ya da iki p tipi yarıiletken bölge arasına ince bir n tipi

yarıiletken (pnp tranzistör) katkılanarak yapılan üç uçlu bir aktif devre elemanıdır.

BJT’de iki adet pn jonksiyon vardır. Her bir pn jonksiyonun iletim ve tıkama olmak

üzere iki modu olduğundan tranzistörün dört çalışma modu vardır. Temel çalışma

prensibi bir uçtan akan akımın diğer iki uç arasına uygulanan gerilim ile kontrol

edilmesidir. Tranzistörden akan akımı delikler ve elektronlar oluşturduğundan bipolar

adını almıştır. Şekil 4.1a’da npn tranzistörün b’de pnp tranzistörün basitleştirilmiş

yapısı gösterilmiştir.

Şekil 4.1. npn ve pnp tranzistörün basitleştirilmiş yapısı.

npn tranzistörde n tipi bölgelerden biri emetör (yayıcı) diğeri ise kolektör

(toplayıcı) ucunu ve p tipi bölge ise baz ucunu oluşturur. pnp tranzistörde p tipi

bölgelerden biri emetör diğeri ise kolektör ucunu ve n tipi bölge ise baz ucunu

oluşturur. Emetör ve kolektör bölgeleri elektriksel olarak özdeş değildir, yani katkı

yoğunlukları farklıdır. Örneğin kabaca karşılaştırma açısından emetör bölgesinin katkı

yoğunluğu mertebelerinde ise baz bölgesi , kolektör bölgesi ise

mertebelerindedir.

İleri aktif mod

Şekil 4.2’de gösterildiği gibi baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde baz –

kolektör jonksiyonu tıkama yönünde kutuplandığında emetör bölgesindeki elektronlar

ince baz bölgesini geçerek kolektör bölgesine ulaşırlar. Bu geçiş sırasında elektronların

bir kısmı baz bölgesindeki delikler ile birleşir. Tranzistör bu şekilde kutulandığında

tranzistör “ileri aktif modda” çalışır.

Baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde kutuplandığından emetör akımı,

( ⁄ )

⁄ (4.1)

olur. Burada diyot akımı ifadesinde bulunan emisyon katsayısı bir ( ) alınmıştır.


Şekil 4.2. Tranzistörün ileri aktif modda kutuplanması.

Emetör bölgesinden kolektör bölgesine gelen elektronlar kolektör akımını

meydana getirir (baz – kolektör jonksiyonu tıkama yönünde kutuplanmış olmasına

rağmen). Kolektör akımının değeri emetör bölgesinden gelen elektron yoğunluğuna

bağlıdır. Emetör bölgesinden gelen elektron yoğunluğu da emetör akımına bağlıdır.

Dolayısıyla kolektör akımı emetör akımı ile doğru orantılıdır.

(4.2)

Burada katsayısı bire yakın, birden küçük bir değer olup “ortak baz akım kazancı”

adını alır. Emetör akımını emetör bölgesinden baz bölgesine geçen elektronlar belirler.

Bu elektronların büyük bir kısmı baz bölgesinden kolektör bölgesine geçerek kolektör

akımını oluştururlar. Çok az bir kısmı ise baz bölgesinde delikler ile birleşir. Bundan

dolayı kolektör emetör akımı ile kolektör akımı hemen hemen birbirine eşittir.

Tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında emetör bölgesindeki elektronlar

baz bölgesine geçerken baz bölgesindeki delikler de emetör bölgesine geçerler.

Tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında elektronların ve deliklerin hareketi Şekil

4.3’de gösterilmiştir.

Şekil 4.3. İleri aktif modda kutuplanmış npn tranzistörde elektronların ve deliklerin

hareketi.


Eğer n tipi bölgenin katkı yoğunluğu p tipi bölgenin katkı yoğunluğundan

oldukça yüksek ise emetör bölgesinden baz bölgesine geçen elektronların sayısı, baz

bölgesinden emetör bölgesine geçen deliklerin sayısından oldukça fazla olur. Baz ve

kolektör akımlarının her ikisi de ⁄ ile orantılıdır.

(4.3)

Burada ’ya “ortak emetör akım kazancı” adı verilir ve tranzistörün en önemli

parametrelerinden birisidir. Değeri genel amaçlı tranzistörler için yaklaşık olarak 50 ile

800 arasındadır. Değeri üretim parametrelerine ve ortam sıcaklığına bağlı olduğundan

kataloglarda değeri bir aralık olarak verilir (örneğin 100 ile 450 arasında).

Şekil 4.4’de npn tranzistörlü ortak emetörlü devre gösterilmiştir. Burada emetör

ucu hem baza uygulanan gerilimin negatif ucuna hem de kolektöre uygulanan gerilimin

negatif ucuna ortaktır. Bundan dolayı ortak emetörlü devre olarak adlandırılır. Burada

ve değerleri baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde, baz - kolektör jonksiyonu

ise tıkama yönünde olacak şekilde seçilmiştir. Akım yönleri şekil üzerinde

gösterilmiştir.

Şekil 4.4. npn tranzistörlü ortak emetörlü devre.

Devreden,

(4.4)

olduğu görülür. Eğer ise baz - emetör jonksiyonu iletimde olmayacağından

dolayısıya olur. Bu durumda tranzistör kesimdedir denir.

Eğer tranzistörü bir nokta (düğüm) gibi görürsek,

(4.5)


yazılabilir. Eğer tranzistör ileri aktif modda ise olduğundan yukarıdaki

denklem

( ) (4.6)

olur. Buradan,

( ) (4.7)

olur. Böylece kolektör akımı,

( ) (4.8)

olur. Burada,

( ) (4.9)

değeri “ortak baz akım kazancı” olarak adlandırılır. Örneğin ise

⁄ olur. artıkça değeri bire daha çok yaklaşır.

pnp tranzistörün yapısı ve çalışması

Şekil 4.5’de pnp tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında elektronların ve

deliklerin hareketi gösterilmiştir. Baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde

kutuplandığından emetör bölgesindeki çoğunluk taşıyıcısı olan delikler baz bölgesine

geçerler. Buradan kolektör bölgesine geçerler ve kolektör akımını oluşturur. Deliklerin

bir kısmı baz bölgesinde elektronlarla birleşir. Baz bölgesindeki çoğunluk taşıyıcısı olan

elektronlar da emetör bölgesine geçerler. Baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde

kutuplandığından emetör akımı baz – emetör geriliminin eksponansiyel fonksiyonudur.

Emetör akımı,

⁄ (4.10)

olur. Burada gerilimi emetör ile baz arasına uygulanan gerilimdir. Kolektör akımı da

baz – emetör geriliminin eksponansiyel fonksiyonudur.


Şekil 4.5. pnp tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında elektronların ve deliklerin

hareketi.

⁄ (4.11)

Burada pnp tranzistörün ortak baz akım kazancıdır. Baz akımı ise,

⁄

⁄ (4.12)

şeklindedir. pnp tranzistörün ortak emetör akım kazancıdır.

Tranzistör sembolleri

Şekil 4.6’da npn tranzistörün blok diyagramı ve devre sembolü gösterilmiştir.

Emetör ucundaki ok emetör akımının yönünü gösterir ve npn tranzistörde emetör

ucundan dışarıya doğrudur.

Şekil 4.6. npn tranzistörün blok diyagramı ve sembolü.

Şekil 4.7’de pnp tranzistörün blok diyagramı ve devre sembolü gösterilmiştir.

Burada emetör akımının yönünü emetör ucundan içeriye doğrudur.


Şekil 4.7. pnp tranzistörün blok diyagramı ve sembolü.

Tablo 4.1’de npn ve pnp tranzistörlerin akım gerilim ilişkisi özetlenmiştir. Burada

ifadesi sadece lineer bölgede geçerlidir.

npn tranzistör pnp tranzistör

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

Her iki tranzistör için

( ) (

)

Tablo 4.1. npn ve pnp tranzistörlerin akım gerilim ilişkisi.

Tranzistörün akım - gerilim karakteristikleri

Tranzistörün giriş ve çıkış karakteristikleri olarak adlandırılan iki önemli

karakteristiği vardır. npn tranzistörlü ortak emetörlü devre için giriş karakteristiği baz -

emetör gerilimi ( ) ile baz akımının ( ) değişimini gösteren karakteristiktir. Baz

emetör bölgesi bir diyot olduğundan bu karakteristik normal diyot karakteristiğidir.

Çıkış karakteristiği ise kolektör - emetör gerilimi ( ) ile kolektör akımının ( )

değişimini gösteren karakteristiktir. Şekil 4.8’de tranzistörün çıkış karakteristiği

gösterilmiştir.


Şekil 4.8. Tranzistörün çıkış karakteristiği.

npn tranzistörde tranzistörün ileri aktif modda olması için baz - emetör

jonksiyonun iletimde baz - kolektör jonksiyonun ise tıkamada olması gerekir. Baz -

kolektör jonksiyonun tıkamada olması için ( ) olması gerekir.

Early gerilimi: npn transistör ileri aktif modda kutuplandığında (baz - emetör

jonksiyonu iletimde ve baz - kolektör jonksiyonu tıkamada) gerilimi sabit iken

gerilimi artırılırsa tıkamada olan baz - kolektör jonksiyonunun fakirleşmiş bölgesi

genişler ( gerilimi artığından). Bu da baz bölgesinin daralmasına ve dolayısıyla

baz bölgesindeki azınlık taşıyıcılarının yoğunluğunun artmasına neden olur. Böylece baz

bölgesindeki difüzyon akımı artar. Bu da kolektör akımının artmasına neden olur. İleri

aktif modda kolektör akımının gerilimi ile değişimi,

( ⁄ ) (

) (4.13)

şeklinde ifade edilebilir. Burada Early gerilimi olup tipik değeri 50V ile 300V

arasındadır. Aşağıda ortak emetörlü devrenin akım gerilim karakteristikleri üzerinde

Early gerilimi gösterilmiştir. Eğrinin eğimi kolektörden bakıldığındaki çıkış direncini

verir. Bu direnç,


|

şeklinde bulunabilir. Buradan çıkış direnci,

olur.

Tranzistörün bozulma gerilimi ve akımı

Tranzistörün terminaller arasındaki gerilim veya bir terminalden akan

akım belirli sınırları geçtiğinde tranzistör bozulur. Tablo 4.2’de bu gerilim ve akımlar

özetlenmiştir. Bu tablodaki değerler BC547B için verilmiştir. Tranzistörün önemli

parametreleri ise Tablo 4.3’de verilmiştir. Verilen değerler BC547B içindir.


Sembol Parametre Değer Açıklama

Kolektör - baz

gerilimi

Kolektör - baz geriliminin maksimum

değeridir.

Kolektör -

emetör gerilimi

Kolektör - emetör geriliminin

maksimum değeridir.

Emetör - baz

gerilimi

Emetör - baz geriliminin maksimum

değeridir.

Kolektör akımı

(dc) Kolektör akımının maksimum değeridir.

Kolektörde

harcanan güç

Kolektör bölgesinde harcanan gücün

maksimum değeridir. Tranzistörde

harcanan gücün büyük kısmı kolektör

bölgesinde harcandığından tranzistörde

harcanan güç yerine kolektörde

harcanan güç değeri verilmiştir.

Jonksiyon

sıcaklığı

Herhangi bir jonksiyonun sıcaklığı bu

değeri geçmemelidir.

Depolama

sıcaklığı

Tranzistörün depolama sıcaklık

aralığıdır.

Tablo 4.2. BC547B npn tranzistörünün sınır değerleri.

Sembol Parametre Değer Açıklama

Kolektör sızıntı

akımı

Tranzistör tıkamada olduğunda

kolektörden akan akım.

dc akım kazancı Tranzistörün kolektör akımı ile

baz akımın oranı ( ⁄ )

( ) Kolektör - emetör

doyum gerilimi

Tranzistör doyumda olduğunda

kolektör - emetör gerilimi.

( ) Baz - emetör doyum

gerilimi

Tranzistör doyumda olduğunda

baz - emetör gerilimi.

( ) Baz - emetör iletime

geçme gerilimi

Baz – emetör jonksiyonun iletime

geçmesi için gerekli minimum

gerilim.

Akım kazancı –

band genişliği

çarpımı

Akım kazancı – band genişliği

çarpımı. Çoğunlukla “kazancın bir

olduğu band genişliği” olarak

adlandırılır.

Çıkış kapasitesi Tranzistörün çıkış kapasitesi

Giriş kapasitesi Tranzistörün giriş kapasitesi

Tablo 4.3. Tranzistörün önemli parametreleri.


4.2. Tranzistörlü devrelerin dc analizi

En temel tranzistörlü devre Şekil 4.9a’da gösterilen ortak emetörlü devredir.

Tranzistörün emetör ucu toprağa bağlıdır. Burada tranzistör olarak npn tranzistör

kullanılmıştır. Şekil 4.1b’de bu devrenin dc eşdeğer devresi gösterilmiştir. Tranzistörü

ileri aktif modda kabul edelim. Bu durumda kolektör akımı baz akımının bir fonksiyonu

olur ( ). Şimdilik tıkamada olan baz kolektör jonksiyonunun sızıntı akımını ve

Early etkisini ihmal edelim. Baz akımı,

Şekil 4.9. npn tranzistörlü ortak emetörlü devre ve dc eşdeğeri.

( )

(2.14)

şeklinde bulunabilir. Kolektör akımı için ise,

(2.15)

yazılabilir. Emetör akımı da,

( ) (2.16)

olur. gerilimi ise,

(2.17)

(2.18)

şeklinde yazılabilir. tranzistörde harcanan güç ise,


( ) (2.19)

şeklindedir. olduğundan ( ) değeri ’nin yanında ihmal edilebilecek

kadar düşüktür. Dolayısıyla tranzistörde harcanan güç kabaca,

(2.20)

yazılabilir.

Örnek 4.1: Aşağıda gösterilen devredeki tranzistör için ( ) ve

olarak veriliyor. Baz, kolektör ve emetör akımlarını, gerilimini ve tranzistörde

harcanan gücü hesaplayınız.

Çözüm: Baz, kolektör ve emetör akımları sırasıyla,

( )

( )

olarak bulunur. gerilimi,

olur. Tranzistörde harcanan güç ise,

( )

olarak bulunur.


Şimdi de Şekil 4.10a’da gösterilen pnp tranzistörlü ortak emetörlü devrenin dc

analizini yapalım. Bunun için Şekil 4.10b’de gösterilen eşdeğer devreyi kullanalım.

Eşdeğer devrede akım yönlerinin ve gerilim polaritelerinin npn tranzistörün tersi

olduğunu dikkat edelim. eşdeğer devreden hareketle baz akımı,

Şekil 4.10. pnp tranzistörlü ortak emetörlü devre ve dc eşdeğeri.

( )

( )

(2.21)

olur. Kolektör ve emetör akımı ise,

(2.22)

( ) (2.23)

olur. gerilimi ise,

(2.24)

(2.25)

şeklinde yazılabilir.

Örnek 4.2: Aşağıda gösterilen devredeki tranzistör için ( ) ve

olarak veriliyor. Baz, kolektör ve emetör akımlarını ve olması için

direncinin değerini hesaplayınız.


Çözüm: Önce devrenin dc eşdeğer devresini çizelim.

CI

IB R

B RC

+

-

VEB

VBB

C

B

E

VV 5

Baz, kolektör ve emetör akımları sırasıyla,

( )

( )

( )

olarak bulunur. Devrenin sağ kolu için,

yazılarak olması için direncinin değeri,


olarak bulunur.

4.3. Yük doğrusu ve transistörün çalışma modları

Şekil 4.11’de gösterilen ortak emetörlü devrenin analizini Şekil 4.6’da gösterilen

giriş ve çıkış yük doğruları ile de yapabiliriz. Şekil 4.11a’da B-E jonkisyonunun akım

gerilim karakteristiği ( ( ), giriş karakteristiği) ve giriş yük doğrusu

gösterilmiştir.

Şekil 4.11. Giriş ve çıkış yük doğruları.

Giriş yük doğrusu devrenin baz - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası

uygulanarak bulunabilir.

(2.26)

Şekil 4.11b’de de tranzistörün çıkış karakteristiği ( ( )) üzerinde çıkış

yük doğrusu gösterilmiştir. Çıkış yük doğrusu ise devrenin kolektör - emetör çevrimine

Kirchhoff gerilim yasası uygulanarak bulunabilir.

(2.27)


(2.14) eşitliği kolektör akımı ile kolektör emetör geriliminin değişimini veren

yük doğrusu denklemidir. Tabiî ki şu an tranzistörün dc analizini yaptığımızdan bu yük

doğruları dc yük doğrularıdır. Tranzistörün girişine ac işaret uyguladığımızda durumda

elde edilen doğrular ac yük doğrularıdır. ac yük doğrularını ilerde inceleyeceğiz.

Şekil 4.6’deki yük doğrusu üzerindeki değerler Örnek 4.1’de verilen değerlerden

elde edilmiştir. Örnek 4.1’de , ve olarak bulunmuştu.

Eğer geriliminin değeri ( ) değerinden küçük ise tranzistörden

herhangi bir akım akmaz ( ) ve tranzistör kesimdedir (sızıntı akımları

ihmal edilmiştir). Bu durumda direnci üzerinde bir gerilim düşüm olmayacağından

’dur.

geriliminin değeri artırılır ve ( ) değerine aşarsa tranzistör iletime

geçer (ileri aktif) baz akımı akmaya başlar. Dolayısıyla kolektör akımı akar. Bu

durumda ( ), ve ’dir. geriliminin değeri artmaya devam

ederse baz akımı da artar dolayısıyla kolektör akımı da artar. Belli bir noktadan sonra

geriliminin artsa da koleöktör akımı artmaz. Bu noktada tranzistör doyumdadır.

Tranzistör doyumda olduğunda baz kolektör jonksiyonu iletimde olur ve baz akımı ile

kolektör akımı arasındaki lineer ilişki bozulur. Akım kazancı lineer bölgedeki duruma

göre daha az olur. tranzistör doyumda olduğunda kolektör emetör geriliminin değeri

( ) ile gösterilir ve değeri 0,1V ile 0,3V arasındadır (katalogda veriliyor).

Örnek 4.3): Aşağıda gösterilen devredeki tranzistör için ( ) , ( )

ve olarak veriliyor. Tranzistörün ileri aktif modda mı yoksa doyumda

olduğunu belirleyiniz.

Çözüm: direncinin giriş ucuna 8V uygulandığından ( ( )) tranzistör

iletimdedir. Dolayısıyla baz akımı,

( )

olarak bulunur. İlk olarak tranzistörü ileri aktif modda kabul edelim. Bu durumda

formülü geçerlidir. Buradan kolektör akımı,


olur. Kolektör emetör gerilimi ise,

olarak bulunur. Ancak Soruda verilen npn tranzistörlü ortak emetörlü devrede

gerilimi negatif olamaz. Dolayısıyla başta kabul ettiğimiz tranzistörün ileri aktif bölgede

olduğu kabulü doğru değildir. Tranzistörün iletimde olduğunu bildiğimizden geri tek

seçenek tranzistörün doyumda olduğu gerçeği kalır. Tranzistörde doyumda ise

( ) ’dur. Buradan ( ) akımını bulalım.

( ) ( )

olarak bulunur. Baz emetör gerilimi ise hala dolayısıyla baz akımı

’dir. Bu durumda kolettör akımının baz akımına oranı,

olur. Görüldüğü gibi doyumda akım kazancı ’dan küçüktür. Bu durum hem npn hem de

pnp tranzistörler için geçerlidir. Doyumda akım kazancı,

olarak tanımlanır. yani “zorlanmış ” olarak tanımlanır ve ’dir.

Tranzistörün diğer bir çalışma modu geri aktif moddur. Bu modda baz emetör

jonksiyonu tıkamada, baz kolektör jonksiyonu ise iletimdedir. Bu tranzistörün kolektör

ucu emetör, emetör ucu da kolektör gibi davranır. Bu mod kuvvetlendiricilerde

kullanılmaz. Sadece sayısal elektronik devrelerde kullanılır. Tranzistörün çalışma

modları Tablo 4.4’de gösterilmiştir. Şekil 4.12’de de her bir durum için devre modelleri

gösterilmiştir. Şekil 4.12a’da kesim, b’de ileri aktif c’de doyumda d’de de geri aktif

modları gösterilmiştir.


Baz – emetör Baz – kolektör Mode

Tıkama Tıkama Kesim

İletim Tıkama İleri aktif

İletim İletim Doyum

Tıkama İletim Geri aktif

Tablo 4.4. Tranzistörün çalışma modları.

B

C

E

IB=0

IC=0

IE=0

(a)

B

C

E

IB

IC

IE

VBE(FA)=0,7V

FIB

(b)

B

C

E

IB

IC

IE

VBE(SAT)=0,8V

VBC(SAT)=0,6V

©

B

C

E

IB

IE<0

VBC(RA)=0,7V

RIB

IC<0

(d)

Şekil 4.12. Tranzistörün çalışma modları.

Tranzistörün çalışmasını anlamak için gerilim geçiş eğrisinden yararlanılabilir.

Gerilim geçiş eğrisi, giriş gerilimi ile çıkış geriliminin değişiminin çizildiği eğridir. Bir

örnek üzerinde inceleyelim.

Örnek 4.4: Aşağıda gösterilen npn ve pnp tranzistörlü ortak emetörlü devrelerin

gerilim geçiş eğrisini elde ediniz. npn tranzistör için ( ) , ( )

ve , pnp tranzistör için ( ) , ( ) ve , olarak

veriliyor.

Çözüm:

npn tranzistörlü devrenin analizi


ise Qn tranzistörü kesimdedir. Bu durumda , ’dur.

olduğunda ise iletime geçmeye başlar ve ilk olarak ileri aktif moddadır. Bu

durumda baz ve kolektör akımları,

( )

olur. Çıkış gerilimi ise,

olur. giriş ve çıkış gerilimleri arasındaki bu bağıntı tranzistör doyuma gidene kadar

geçerlidir. tranzistör doyuma gittiğinde ( ) olur. Tranzistörü doyuma

götüren giriş geriliminin değerini ise yukarıdaki formülden bulabiliriz.

olarak bulunur. Gerilim geçiş eğrisi Şekil 3.13’de gösterilmiştir.

pnp tranzistörlü devrenin analizi

pnp tranzistörün iletime geçmesi için ( ) olmalıdır. Yani ,

, olmalıdır. olduğunda tranzistör iletimdedir.

olduğunda tranzistör kesimdedir. Bu durumda , ’dur.

olduğunda tranzistör ileri aktif modadır. daha da azaltılırsa tranzistör

doyuma gider. İleri aktif modda ( ) ( )

olur. Bu durumda baz ve kolektör akımları,

olur. çıkış gerilimi ise,


olur. Bu eşitlik tranzistör doyuma gidene kadar geçerlidir. Doyumda ( )

olduğundan olur. Dolayısıyla yukarıdaki

eşitlik aralığında geçerlidir. yukarıdaki eşitlikten hareketle

olduğunda olur. yani giriş gerilim 2,8V’un altına düştüğünde tranzistör

doyuma gider. Gerilim geçiş eğrisi Şekil 4.13’de gösterilmiştir.

Şekil 4.13.

4.4. Temel Tranzistörlü Devreler

Ortak emetörlü, ortak kolektörlü ve ortak bazlı olmak üzere üç tip tranzistörlü

devre vardır. Ortak emetörlü devrede emetör ucu ile toprak ucu arasına direnç

bağlanabilir. Emetör direncinin etkisi ileri incelenecek. Bu devreleri bir örnek ile

inceleyelim.

Örnek 4.5: Aşağıda gösterilen emetör dirençli ortak emetörlü devrenin Q çalışma

noktasını belirleyiniz. Tranzistör için ( ) , ( ) ve

olarak veriliyor.


Çözüm: Devrenin baz - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,

( )

yazılabilir. Tranzistörü ileri aktif modda kabul edelim. Bu durumda emetör akımı için

( ) yazılabilir. Bu durumda baz akımı,

( )

( )

olur. Kolektör emetör akımları ise,

( )

olarak bulunur. Kolektör emetör gerilimi ise,

olarak bulunur. gerilimi pozitif çıktığına göre tranzistörün ileri aktif modda olduğu

kabulü doğru. Devrenin yük doğrusunu elde edelim.

[

]

[

]


elde edilir. Devrenin yük doğrusu ve Q çalışma noktası aşağıda gösterilmiştir.

Örnek 4.6: Aşağıda gösterilen ortak bazlı devrede ve olması

için ve dirençlerinin değerlerini hesaplayınız. Tranzistör için ( ) ve

alınız.

Çözüm: Devrenin baz - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,

( )

olarak bulunur. Devrenin emetör kolektör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası

uygulanırsa,


( )

olarak bulunur.

Örnek 4.7: Aşağıda gösterilen ortak kolektörlü devrede olması için

direncinin değerlerini hesaplayınız. Tranzistör için ( ) ve alınız.

Çözüm: Devrenin kolektör - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,

olarak bulunur. Buradan kolektör ve baz akımları bulunabilir.

Devrenin emetör - baz çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,

( )

( )

olarak bulunur.


4.5. Tranzistörün temel kullanıl alanları

Tranzistörün anahtarlama ve kuvvetlendirme olmak üzere iki önemli görevi

vardır. Şekil 4.14’de “evirici” olarak adlandırılan bipolar tranzistörlü devre

gösterilmiştir. Burada tranzistör anahtar olarak çalışır. Bu durumda tranzistör ya

doyumdadır ya da kesimdedir. Burada yük, bir LED ya da bir motor olabilir. Giriş

gerilimi, ( ) ise tranzistör kesimdedir. Dolayısıyla ’dır.

Kolektör akımı sıfır olduğundan yük üzerinde bir gerilim düşümü olmayacağından

’dir. Örneğin yük bir LED ise kolektör akımı sıfır olduğundan (LED’den akım

akmayacağından) LED ışık vermez.

Şekil 4.14. Bipolar evirici devre.

Giriş işareti olduğunda ⁄ ise ( yükün iç direncidir)

tranzistör doyumdadır. Burumda,

( ) ( )

(2.28)

( )

(2.29)

( ) (2.30)

olur. Tranzistörün anahtar elemanı olarak kullanıldığı en temel uygulama tranzistörlü

lojik devrelerdir. Şekil. 4.14’de evirici devre gösterilmiştir. Şekil. 4.15’de gösterilen

devrede her iki giriş de sıfır ise her iki tranzistör de kesimdedir. Dolayısıyla

’dir. ve olduğunda ise Q1 tranzistörü doyumda, Q2 tranzistörü ise

hala kesimdedir. Q1 tranzistörü doyumda olduğundan ( ) olur. ve


olduğunda ise Q1 tranzistörü kesimde, Q2 tranzistörü ise doyumdadır. Q2

tranzistörü doyumda olduğundan ( ) olur. Her iki giriş de

olduğunda ise her iki tranzistör de doyumdadır ve çıkış yine ( )’dır.

Aşağıdaki tabloda girişlerin değişik durumları için çıkışın durumu gösterilmiştir. bu

tablodan da görüldüğü gibi bu işlem NOR işlemidir.

Şekil 4.15. Tranzistörlü NOR kapısı.

0 0

0 ( )

0 ( )

( )

Şekil 4.16a’da gösterilen evirici devresi kuvvetlendirici olarak da kullanılabilir.

Önce eviricinin gerilim geçiş eğrisini çıkaralım ve bunun üzerine ac işaret ilave edelim.

Tranzistör için ( ) , ve ( ) alalım. Direnç değerleri

, alalım. Giriş gerilimi, ( ) olduğunda tranzistör

kesimdedir. Dolayısıyla , ’dır. Giriş gerilimi, ( )

olduğunda tranzistör iletime geçer ve lineer bölgededir. Bu durumda baz akımı,

( )


olur. Bu eşitlik tranzistör lineer bölgede olduğu sürece geçerlidir. Doyum sınırında da

geçerlidir. Doyumda ( ) ’dır. Buradan hareketle yukarıdaki eşitlikte


alınırsa olarak bulunur. Girişin bu değerinden sonra tranzistör

doyumdadır ve çıkış gerilimi ’dur. Şekil 4.16b’de devrenin gerilim geçiş eğrisi

gösterilmiştir.

Şekil 4.16. Evirici ve eviricinin gerilim geçiş eğrisi.

Eğriden görüldüğü gibi için tranzistör ileri aktif bölgenin tam

ortasında kutuplanmıştır. ’luk dc giriş işareti için çıkış gerilimi eğriden de

görüldüğü gibi ’dur. Şekil 4.17a’da gösterildiği devrenin girişine dc işarete

ilave olarak bir de ac işaret uygulayalım. Bu durumda baz akımı gerilimi sabit

alınarak,

( )


olur. Bu işaretin ’luk kısmı ’luk dc işaretten, ’luk kısmı ise ’lik

giriş işaretinden gelir. Görüldüğü gibi devre girişine uygulanan ac işareti 4 kat

kuvvetlendirerek ve fazını çevirerek çıkışa aktarmıştır. Bu durum Şekil 4.17b’de

gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi sinüzoidal giriş işareti bozulmadan yine

sinüzoidal olarak kuvvetlendirilmiştir. Eğer dc giriş işareti olursa tranzistör

doyumda olur ve çıkış işareti olur. B durumda ac işaret uygulanırsa Şekil

4.17c’de görüldüğü gibi girişin pozitif alternansında tranzistör doyumda olacağından

çıkışta gözükmez. Negatif alternansında ise tranzistör lineer bölgededir ve çıkışta


kuvvetlendirilmiş olarak gözükür. Dolayısıyla tranzistör doyumda kutuplanırsa giriş

işaretinin sadece yarı periyodu kuvvetlendirilmiş olur. Diğer yarı periyot ise çıkışta

gözükmez. Buradan da görüldüğü gibi tranzistör kuvvetlendirici olarak kullanılacaksa

tranzistörün çalışma noktası çok önemli olur.

Şekil 4.17. Tranzistörün kuvvetlendirici olarak kullanılması.

4.6. Tranzistörün öngerilimlemesi

Lineer bir kuvvetlendirici yapmak için tranzistör ileri aktif modda ve Q çalışma

noktasını yük doğrusunun tam ortasında olacak şekilde kutuplamalıyız. Bunun için

öngerilimleme yapmalıyız. Çeşitli öngerilimleme devrelerini inceleyelim.


4.6.1. Tek dirençli öngerilimleme

Şekil 4.18a’da en basit öngerilimleme devresi gösterilmiştir. öngerilimleme

direnci ile yapılmaktadır. kapasitesi ise dc işaretler için açık devre, girişe

uygulanan işaretin frekansına göre de kısa devre olacak şekilde yeterince büyük

seçilmiştir. Böylece giriş işareti çok az bir zayıflama ile tranzistörün bazına iletilir.

kapasitesinin değeri 1-10µF arasındadır. Tam değeri girişe uygulanan işaretin

frekansına göre seçilir ve ileride bu konuyu inceleyeceğiz.

Şekil 4.18. Tek dirençli öngerilimleme devresi ve Thevenin eşdeğeri.

Örnek 4.8: Şekil 4.18a’da gösterilen devrede , tranzistör için ( ) ,

( ) ve olarak veriliyor. Q çalışma noktasında ve

için ve dirençlerinin değeri ne olmalıdır? Hesaplayınız.

Çözüm: Devrenin Thevenin eşdeğeri Şekil 4.19b’de gösterilmiştir. Kolektör direnci,

olur. Buradan direncinin değeri,

( )

olarak bulunur. Yük doğrunu çizelim. Yük doğrusunun denklemi, Bunun için ve

gerilimlerinin maksimum değerleri,


şeklinde bulunur. Bunun için akımının maksimum değeri (doyumda iken maksimum

olur. Bu durumda ( ) alınır.),

ve gerilimlerinin maksimum değerleri (kesimde iken olur ve kesimde ’dır.),

olur. Yük doğrusu ve Q çalışma noktası aşağıda gösterilmiştir.

Şimdiye kadar tranzistörün akım kazancı ’yı sabit aldık. Ancak belli bir

tranzistör tipi için değeri belirli sayı değildir. Örneğin BC547B tipi npn tranzistörün

değeri katalogda 200 ile 450 arasında verilmiştir. Dolayısıyla devre tasarlarken

değerini belirli bir değer almak doğru değildir. Ölçü aleti ile tranzistörün değeri

ölçülebilir. Bu ölçüm sonucuna göre hesaplamalar yapılabilir. Ancak devredeki

tranzistör bir nedenle (örneğin bozulduğu için) değiştirilirse aynı tip tranzistör dahi

takılsa çalışma noktası değişir. Bundan dolayı tranzistörlü devrelerde ’ya olan

bağımlılığı azaltmak gerekir. Yukarıdaki örnek için ’nın etkisini inceleyelim. ve

için yukarıdaki analizleri tekrarlayalım.

( )

(Değişmedi)


Aşağıda üç farklı değeri için çalışma noktaları gösterilmiştir.

50 100 150

Q çalışma noktası

Görüldüğü gibi için yük doğrusunun tam ortasında kutupladığımız

devrenin çalışma noktası değişmesi ile çok farklı noktalara kaymıştır. Ayrıca

bulduğumuz öngerilimleme direncinin değeri oldukça büyüktür. Özellikle

entegre teknolojisinde büyük değerli direnç kullanmak çok zordur. Çünkü 50k’un

üzerindeki dirençler chip içerisinde çok fazla yer kaplar (bir tranzistörün kapladığı

alanın yaklaşık 100 katı). Ayrıca büyük değerli dirençlerin toleransları daha geniştir.

Dolayısıyla öngerilimlemede kullanacağımız dirençlerin değeri mümkün mertebe küçük

olmalıdır.

4.6.2. Gerilim bölücü ile öngerilimleme

Öngerilimleme Şekil 4.19a’da gösterildiği gibi gerilim bölücü dirençler ile de

yapılabilir. Şekil 4.19b’de de devrenin Thevenin eşdeğeri gösterilmiştir. Bu eşdeğer

devredeki Thevenin gerilimi,


(2.31)

Thevenin direnci de,

(2.32)

şeklindedir. Baz emetör bölgesine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,

( ) (2.33)

Sv +

CC

R1

R2

RC

+VCC

(a)

RTH

RC

+VCC

VTH

IBQ

ICQ

+

-

VCEQ

+

(b)

Şekil 4.19. Gerilim bölücü ile öngerilimlenmiş ortak emetörlü devre ve Thevenin

eşdeğeri.

yazılabilir. Buradan baz akımı,

( )

(2.34)

olur.

Örnek 4.9: Şekil 4.19a’da gösterilen devrede , , ve

tranzistör için ( ) , ( ) ve olarak veriliyor.

Devrenin Q çalışma noktasını belirleyiniz

Çözüm: Devrenin Thevenin eşdeğeri Şekil 4.192b’de gösterilmiştir. Burada Thevenin

gerilimi ve Thevenin direnci,


olarak bulunur. Baz akımı,

( )

ve için yukarıdaki analizleri tekrarlayalım.

Aşağıda üç farklı için yük doğrusu üzerinde Q çalışma noktası gösterilmiştir.

VCE

(V)

IC

12

6mA

3,3mA

5,6

100

4,95mA 150

1,65mA 50

2,1 8,7


4.6.3. Emetör direncinin öngerilimlemeye etkisi

Öngerilimleme gerilim bölücü ile yapıldığında öngerilimlemede kullanıla

dirençlerin değeri azalmakla birlikte ’ya olan duyarlılık azalmamıştır. ’ya olan

duyarlılık azaltmak için Şekil 4.20a’da gösterildiği gibi emetör toprak arasına bir direnç

bağlanır. Bu direnç geribesleme görevi görür. Herhangi bir nedenden (sıcaklık

artışından veya ’nın artmasından) dolayı kolektör akımı arttığında doğal olarak

emetör akımı da artar. Dolayısıyla emetör gerilimi de artar ( ). Bu durumda

gerilimi azalır. azalınca baz akımı azalır. Baz akımı azalınca da kolektör akımı

azalır. Dolayısıyla kolektör akımındaki artış emetör direncinin yaptığı geri besleme ile

kompanze edilmiş olur.

Sv +

CC

R1

R2

RC

+VCC

RE

(a)

RTH

RC

+VCC

VTH

IBQ

ICQ

+

-

VCEQ

+

RE

(b)

Şekil 4.20. Gerilim bölücü ile öngerilimlenmiş emetör dirençli ortak emetörlü devre ve

Thevenin eşdeğeri.

Thevenin gerilimi,

(2.35)

Thevenin direnci de,

(2.36)

şeklindedir. Baz emetör bölgesine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,

( ) (2.37)

yazılabilir. Buradan baz akımı,


( )

( ) (2.38)

olur. Kolektör emetör gerilimi ise alınarak,

( )

(2.39)

Örnek 4.10: Şekil 4.20a’da gösterilen devrede , , ,

ve tranzistör için ( ) , ( ) ve

olarak veriliyor. Devrenin Q çalışma noktasını belirleyiniz.

Çözüm: Devrenin Thevenin eşdeğeri Şekil 4.20b’de gösterilmiştir. Burada Thevenin

gerilimi ve Thevenin direnci,

olur. Baz ve kolektör akımları ise,

( )

( )

olarak bulunur. değeri ise,

( )

olur. ’nin ve ’nin maksimum değerleri,

( )


olarak bulunur. Yük doğrusu Şekil 4.21’de gösterilmiştir. ve için

yukarıdaki analizleri tekrarlayalım. baz ve kolektör akımları ise,

( )

( )


( )

olur. baz ve kolektör akımları ise,

( )

( )


( )

olur.

Şekil 4.21’de üç farklı için yük doğrusu üzerinde Q çalışma noktası

gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi direncinin eklenmesi ile Q çalışma

noktasının değişimine olan bağımlılığı azalmıştır.

VCE

(V)

IC

12

5mA

2,25mA

6,6

100

1502,4mA

50

7,4

1,9mA

Şekil 4.21. Üç farklı için yük doğrusu.


4.7. Tranzistörün küçük işaret eşdeğer devresi

Tranzistörlü devrelerin dc analizini yaparken büyük işaret eşdeğer modeli

kullanılabilir. Bu modelde tranzistör ileri aktif modda ise ( ) ve

’dir. Bu model özellikle Q çalışma noktasının belirlenmesinde kullanılabilir. Ancak

tranzistörlü devrenin girişine bir ac işaret uygulandığında bu model kullanılamaz. Q

çalışma noktası belirlendikten sonra devrenin girişine bir ac işaret uygulandığında

( ) civarında küçük değişimler yapar. Bu durumda artık

gerilimini sabit alamayız. Ayrıca baz ve emetör akımları da artık sabit değildir. Şekil

4.22’de tranzistörün girişine dc ve ac işaret uygulandığı durumlar için ( )

karakteristiği gösterilmiştir. Dolayısıyla büyük işaret eşdeğer devresi tranzistörün ac

davranışını analiz etmek için yeterli değildir.

VBE

IB

VBE

(on)

(a)

vBE

iB

VBEQ

vbe

IBQ

ib

(b)

Şekil 4.22. Tranzistörün girişine dc ve ac işaret uygulandığı durumlar için ( )

karakteristiği

Tranzistörlü bir devrenin girişine ac işaret uygulandığında tranzistörün

davranışını analiz etmek için tranzistörün küçük işaret eşdeğer devresini incelemek

gerekir. Tranzistörün küçük işaret eşdeğeri birkaç şekilde yapılabilir. Genellikle hibrid

modeli ya da h parametreleri modeli kullanılır. Biz burada h parametreleri modelini

kullanacağız. Tranzistör Şekil 4.23a’da gösterildiği gibi giriş ve çıkış portlarından oluşan

iki portlu bir devre gibi düşünülebilir. Tranzistörün ileri aktif modda kutuplandığını

kabul ederek giriş ve çıkış portlarındaki akım ve gerilimler arasındaki ilişki,


Şekil 4.23. Ortak emetörlü npn tranzistör ve ortak emetörlü bipolar tranzistörün h

parametreleri modeli.

(2.40)

şeklinde yazılabilir. Bu eşitlik ortak emetörlü h parametrelerini elde etmede

yararlanılabilir. Bu eşitlikten hareketle tranzistörün küçük işaret h parametreleri

eşdeğer devresi elde edilebilir. Şekil 4.23b’de tranzistörün küçük işaret h parametreleri

eşdeğer devresi gösterilmiştir.

Bolum 4 - The Bipolar Junction Transistor

Documents

Transcript of Bolum 4 - The Bipolar Junction Transistor