Curs05ETH

8/18/2019 Curs05ETH

1/16

Electrotehnică şi electronică Curs 5

Componente semiconductoare discrete şi aplicaţiile lor în etaje deamplificare şi control

Acest curs este dedicat prezentării unei serii de componente electronice care, spredeosebire de diodele semiconductoare (ce implică o singură joncţiune), includ în

construcţia lor mai multe joncţiuni semiconductoare. Noţiunea de „discret” se referă lafaptul că fiecare dintre dispozitiele prezentate sunt încapsulate în mod indiidual, fără a fiinterconectate în aceea!i capsulă mai multe componente electronice, precum în cazulcircuitelor integrate. "in multitudinea de modele constructie ale unor astfel decomponente, ne om concentra atenţia doar asupra celor mai uzuale, respectitranzistorul bipolar !i tranzistoarele cu efect de câmp cu joncţiune sau cu grilă izolată.

1. Tranzistorul bipolar cu joncţiuni!#.#. Construcţia şi principiile de funcţionare ale tranzistorului bipolar

$ranzistorul bipolar cu joncţiuni (denumit prescurtat "#T de la denumirea înengleză "ipolar #unction Transistor) este un dispoziti semiconductor de tip sad%ic&,alcătuit din trei regiuni semiconductoare distincte, denumite emitor, bază !i colector.

'n funcţie de tipurile semiconductorilor utilizaţi la fabricarea $, a!a cum esteindicat în *igura #, se disting două tipuri de tranzistoare+ N !i NN.

$i%ura 1. -tructura tranzistorului N (A) !i NN (). -imbolul pentru tranzistorul N() !i NN (") precum !i c/tea e0emple de capsule standardizate pentru tranzistoare.

#

8/18/2019 Curs05ETH

2/16

8/18/2019 Curs05ETH

3/16


cele două joncţiuni eocate în modelul simplificator nu mai funcţionează independent,circuitul nemaifiind ec&ialent cu legarea directă, în opoziţie, a două diode (. *igura 4.).

8in/nd cont de combinaţiile posibile priind modul de polarizare al celor două joncţiuni, se pot distinge 9 moduri (regimuri) de e0ploatare ale unui $, acestea fiindsistematizate în *igura :.

$i%ura ). ;oduri de funcţionare ale unui $ în funcţie de polarizarea, directă sauinersă, a celor două joncţiuni ale acestuia (bază3colector !i bază3emitor).

"intre posibilităţile eocate în *igura :, cea mai frecent utilizată în montajele deamplificare este reprezentată de re%iunea acti' normală sau re%imul * modul acti'normal! caracterizată prin polarizarea joncţiunii bază3emitor în sens direct !i a celei bază3colector în sens iners. entru a e0plica mai bine funcţionarea $ în acest regim, ne omconcentra atenţia asupra structurii NN, configuraţia N a/nd acela!i comportament,at/ta doar că sensul curenţilor !i tensiunilor precum !i rolul purtătorilor de sarcină trebuieinersate.

entru cazul concret al unui $ NN cu siliciu, măsurătorile efectuate în situaţiaîn care doar joncţiunea bază3emitor este polarizată direct, de la o sursă de tensiune a/ndaloarea apropiată de tensiunea de prag a joncţiunii (colectorul fiind lăsat deconectat), scotîn eidenţă faptul că intensitatea curentului ce străbate emitorul ( I E ) este egală cu cea acurentului ce străbate terminalul bazei ( I B), fapt prezentat în *igura 9.A. 'n condiţiile

prezentate, aloarea I E este similară celei obţinute în cazul unei diode semiconductoare,

urm/nd o lege e0ponenţială de forma+

−≅ #4 T

EB

V

V

E e I (#)

unde V EB reprezintă tensiunea aplicată joncţiunii bază3emitor iar V T corespunde alorii de potenţial de agitaţie termică, a/nd pentru -i aloarea apro0imatiă de 45 m6.

'n cazul în care doar joncţiunea bază3colector este polarizată iners (emitorul fiindlăsat deconectat), se poate constata că intensitatea curentului ce străbate colectorul ( I C ) esteegală cu aloarea curentului ce străbate terminalul bazei ( I B), fapt ilustrat în *igura 9.. 'naceste condiţii, aloarea I C are o aloare e0trem de redusă, similară celei obţinute în cazulunei diode semiconductoare polarizate iners. entru caracterizarea $, această aloarede curent este codificată în cataloage drept I CB0, reprezent/nd curentul rezidual (descurgere) prin joncţiunea bază3colector, pentru o anumită aloare a tensiunii de polarizareinerse, în condiţiile în care emitorul este deconectat.

:

8/18/2019 Curs05ETH

4/16


-pre deosebire de aceste prime două situaţii, în care doar c/te o singură joncţiuneeste polarizată, în cazul în care se creează condiţiile pentru generarea regimului actinormal de funcţionare (conform *igurii 9.), măsurătorile scot în eidenţă faptul că+

de!i joncţiunea bază+colector este polarizată in'ers, curentul de emitor, în locsă circule prin terminalul bazei, circulă, practic, inte%ral prin terminalul

colectorului- curentul de bază, I B, este mult mai mic decât curenţii ce străbat emitorul şi

colectorul.

$i%ura . ), se a puteaconstata, e0perimental, că intensitatea curentului de colector nu se modifică, ceea ce ne

permite să facem obseraţia că+ în re%iunea acti'ă normală, curentul de colector este, practic, independent de

tensiunea aplicată joncţiunii bază+colector.>0plicaţiile tuturor acestor comportamente se bazează pe trei aspecte majore+

grosimea e0trem de redusă a bazei= gradul diferit de impurificare a fiecărei regiuni=

9

8/18/2019 Curs05ETH

5/16


modul de polarizare al joncţiunilor.*enomenologia implicată în funcţionarea $ în regim normal acti este ilustrată

elocent în *igura ?.

$i%ura 5. *enomene implicate în funcţionarea unui $ de tip NN în regim normal acti!i distribuţia electronilor ce trec din emitor în zona bazei+ (a) electroni pierduţi datorită

recombinării cu goluri= (b) electroni pierduţi pentru generarea curentului de bază= (c)electroni ce difuzează, datorită dimensiunii reduse a bazei, din emitor direct p/nă în zonade sărăcire a joncţiunii bază3colector= (d) electroni acceleraţi de către c/mpul electricintens al zonei de sărăcire specific joncţiunii bază3colector !i captaţi de către colector.

Astfel, a!a cum se poate obsera !i din *igura ?, atunci c/nd un $ de tip NNfuncţionează în regim normal acti, au loc următoarele fenomene+

prin polarizarea joncţiunii bază emitor la o aloare a tensiunii superioare celei de prag (peste @.5 6 în cazul $ cu siliciu), aceasta se „desc&ide”, determin/ndtrecerea electronilor din emitor în bază, unde dein putători minoritari însemiconductorul de tip =

conform teoriei funcţionării unei joncţiuni N, electronii injectaţi în bază ar trebuisă se recombine cu golurile e0istente în această regiune. 'n cazul $, din cauzadopării foarte intense a emitorului !i, în special, datorită dopării foarte reduse a

bazei, doar o foarte mică parte din electronii injectaţi de emitor în bază serecombină cu goluri e0istente în această regiune. Acestă recombinare genereazăfracţiunea de curent (a) indicată în *igura ?, care contribuie la formarea curentuluide bază datorită necesităţii de a genera noi goluri menite să le suplinească pe celeconsumate în urma procesului de recombinare.

altă parte foarte mică dintre electronii injectaţi de emitor în bază sunt atra!i dearmătura metalică a bazei !i curg direct spre polul poziti al sursei de polarizare,

gener/nd fracţiunea de curent (b) din *igura ?, care contribuie, alături de curentulde recombinare (a) la formarea curentului de bază. $rebuie remarcat faptul că, îngeneral, curentul de bază reprezintă, în cele mai multe cazuri, sub ( / 5 0 dincurentul %lobal ce străbate emitorul, cobor/nd sub # B cazul tranzistoarelor demică putere.

"atorită grosimii foarte reduse a bazei, a dopării reduse a acesteia !i a acceleraţieiimpuse de polarizarea directă a joncţiunii bază3emitor, majoritatea electronilor injectaţi de emitor în bază ajung p/nă în zona de sărăcire a joncţiunii bază3colector,gener/nd fracţiunea de curent (c) indicată în *igura ?. Acest fenomen este facilitat!i de faptul că, prin polarizarea inersă a joncţiunii bază3colector, regiunea desărăcire specifică acesteia se e0tinde mult în spaţiul bazei.

rin polarizarea inersă a joncţiunii bază3colector, electronii injectaţi de emitor !iajun!i în regiunea de sărăcire a joncţiunii bază3colector sunt acceleraţi către

?

8/18/2019 Curs05ETH

6/16


colector, fapt desemnat de fracţiunea de curent (d) din *igura ?. 'n acest mod,electronii capătă suficientă energie pentru a traersa joncţiunea, fiind rapidcolectaţi de colectorul polarizat poziti. $rebuie menţionat faptul că acest fenomende accelerare !i captare este faorizat de cre!terea alorii tensiunii inerse aplicate

joncţiunii bază3colector.

Craţie acestui fenomen de accelerare !i captare, peste D? E DF B (c&iar peste DD B,în cazul tranzistoarelor de mică putere) din electronii emi!i de emitor sunttransferaţi colectorului. 'n plus, acest curent între emitor !i colector este controlatde curentul de bază, care este cuprins, uzual, între @.# !i ?B din aloarea curentuluide emitor.e baza fenomenelor descrise anterior se pot defini o serie de parametri !i relaţii

care descriu funcţionarea unui $ în regim normal acti. entru a e0plicita mai u!or ace!ti termeni !i ecuaţii, om face apel la o structură de tip N, pentru care, a!a cum esteindicat în *igura 5, direcţia transportului purtătorilor majoritari (golurilor) corespundesensului conenţional al curentului electric.

$i%ura . "iagrama curenţilor implicaţi în funcţionarea unui $ de tip N în regim

normal acti.

A!a cum se poate obsera din *igura 5, pe l/ngă mărimile deja introduse ( I E , I C , I B!i I CB0), se definesc : noi curenţi+

I PE G ce corespunde flu0ului de purtători de sarcină pozitii (goluri) de la nielulemitorului=

I PC G ce corespunde flu0ului de purtători de sarcină pozitii (goluri) de la nielulcolectorului=

I NE G ce corespunde flu0ului de purtători de sarcină negatii (electroni) de lanielul joncţiunii bază3emitor.

'n primul r/nd, aplic/nd legea < a lui Hirc&&off at/t în interiorul tranzistorului c/t !ie0teriorul acestuia, se poate deduce imediat că+ I E = I PE + I NE (4) I C = I PC + I CB0 (:) I E = I C + I B sau I B = I E – I C (9)8in/nd cont de aceste relaţii, se pot defini următorii parametri+

>ficienţa emitorului, notată (arbitrar) cu χ , definită de relaţia+

E

PE

I

I = χ (?)

*actorul de transport, notat cu * , definit de relaţia+

PE

PC

I

I =Iβ (5)

5

8/18/2019 Curs05ETH

7/16


Amplificarea în curent (pentru cone0iunea cu bază comună), notată cu , definităde relaţia+

E

CBC

I

I I @

−=α (J)

entru toţi ace!ti noi parametri, aloarea ideală trebuie să fie unitară, însă, în practică, ace!tia se apropie doar de #, a/nd alori cuprinse între @.D? !i @.DD.ornind de la relaţia (J) se poate deduce ecuaţia de bază ce leagă curentul de emitor

de cel de colector, descrisă de relaţia+@CB E C

I I I +=α (F)8in/nd cont de faptul că, în cazul tranzistoarelor de ultimă generaţie, I CB0 are alori

e0trem de reduse, acesta se poate neglija în raport cu I C , relaţia (F) put/nd fi apro0imată deecuaţia+

E C I I α ≈ sau

E

C

I

I ≅α

(D)

1.(. Cone&iuni fundamentale pentru e&ploatarea tranzistoruluiA!a cum se poate intui din cele prezentate anterior, principala utilizare a

tranzistoarelor bipolare este reprezentată de amplificarea semnalelor electrice. riindlucrurile prin această prismă, pentru e0ploatarea unui $ se pot defini trei modurifundamentale de cone0iune, în funcţie de terminalul tranzistorului care, din punct deedere al semnalului alternati pe care îl amplifică, este comun at/t circuitului de intrarec/t !i circuitului de ie!ire. Aceste trei tipuri de cone0iuni sunt descrise în cele ce urmează

1.(.1. Cone&iunea cu emitorul comun

Acest tip de cone0iune, notat prescurtat CEC, reprezintă configuraţie cea maifrecent utilizată pentru e0ploatarea $, fiind aplicată în cazul circuitelor de amplificare,de comutaţie sau digitale, ea oferind c/!tiguri bune at/t în curent, c/t !i în tensiune !i,implicit, în putere. A!a cum se poate obsera din *igura J.A, circuitul de intrare, la care seaplică semnalul de intrare 6 fără (A) !i cu rezistenţă de emitor ().

entru amplificarea semnalelor de c.a., în sc&ema bazată pe > se utilizeazăcondensatoarele de intrare !i de ie!ire,

8/18/2019 Curs05ETH

8/16


acestuia. e l/ngă acesta, rezistenţele K # !i K 4 au rolul de a polariza baza la un potenţialcare să aducă tranzistorul în regim acti normal de funcţionare, întregul montaj fiindalimentat de la sursa de c.c., 6.

"eoarece modificarea temperaturii joncţiunii bază3emitor poate induce modificărisemnificatie ale punctului static de funcţionare al tranzistorului, pentru a înlătura acest

neajuns, se poate recurge la introducerea, în serie cu emitorul, a rezistenţei suplimentareK >, care dictează, în mare măsură, curentul iniţial prin emitor. entru a menţine, totu!i, din

punct de edere al curentului alternati, emitorul la masă, în paralel cu K > se monteazăcondensatorul > care, practic, „!untează” emitorul la masă.

8in/nd cont de structura configuraţiei, > se caracterizează prin+ Kezistenţă de intrare de aloare relati mică (@.? E #.? LM), intrarea realiz/ndu3se

pe joncţiunea bază3emitor polarizată direct. Kezistenţă de ie!ire de aloare relati mare (de p/nă la ?@ LM sau c&iar mai mult),

ie!irea realiz/ndu3se pe joncţiunea bază3colector polarizată iners.'n altă ordine de idei, a!a cum se poate obsera tot din *igura J, semnalul de ie!ire

este amplificat în raport cu cel de intrare iar defazajul între ele este de #F@ o, deci, practic,semnalul de ie!ire este inersat în raport cu cel de intrare.

rin scrierea ecuaţiilor pentru circuitul de intrare !i cel de ie!ire, se poate constatacă esenţiali pentru caracterizarea funcţionării > sunt curenţii de bază !i de colector,relaţia dintre ei fiind de forma+

@#

#

# CB BC

I I I α α

α

−+

−= (#@)

/!tigul global al etaj de amplificare (sau amplificarea) este dat(ă) de raportul întresemnalul de intrare !i cel de ie!ire. 'n acest conte0t, cazul etajului de amplificare ec&ipatcu $ în >, se define!te factorul de amplificare, , dat de relaţia+

B

C

I

I

∆

∆=β

sau α

α β

−

=

# (##) !i K ,cu rol de a limita curentul prin tranzistor !i de a stabili regimul static de funcţionare alacestuia.

F

8/18/2019 Curs05ETH

9/16


$i%ura 3. Keprezentarea sc&ematică a configuraţiei cu două surse de alimentare (A)!i o singură sursă de alimentare.

entru a elimina necesitatea utilizării a două surse de alimentare, montajul în poate fi modificat a!a cum este indicat în *igura F., prin eliminarea sursei 6> !iintroducerea suplimentară în circuit a componentelor K #, K 4 !i . ele două noirezistenţe au rolul de a polariza baza la un potenţial care să aducă tranzistorul în regimacti normal de funcţionare, iar condensatorul „!untează”, practic, baza la masă din

punct de edere al curentului alternati.'n altă ordine de idei, a!a cum se poate obsera tot din *igura F.A, semnalul deie!ire este amplificat în raport cu cel de intrare, defazajul între ele fiind nul.

Acest tip de cone0iune este utilizată în cazul în care se cere amplificare în tensiunemare !i rezistenţă de intrare mică, ca în cazul amplificatoarelor de microfon sau al celor deantenă pentru semnale de K*.

Amplificarea în curent a montajului în este asemănătoare montajului cu >,definindu3se prin relaţia+

E

C

I

I

∆

∆=α (#:)

iar relaţia între α !i β este dată de ecuaţia+β

β α

+=#

(#9)

1.(.). Cone&iunea cu colectorul comun1a acest tip de cone0iune, notat prescurtat CCC !i ilustrat în *igura D, intrarea se

face între bază !i colector, iar semnalul de ie!ire se culege între emitor !i colector.

$i%ura 4. Keprezentarea sc&ematică a

A!a cum se poate obsera din *igura D, conţine un număr redus de

componente, semnificaţia !i rolul acestora fiind descrise la configuraţiile anterioare.

D

8/18/2019 Curs05ETH

10/16


-pre deosebire de montajele cu > !i , la cel cu se poate constata căsemnalul de ie!ire este în fază cu cel de intrare, însă amplitudinea celor două este egala,deci, practic, nu aem o amplificare în tensiune. u toate acestea, montajul cu estelarg utilizat în practică deoarece el permite translatarea unui semnal de la o impedanţăridicată (cuprinsă între 4 !i ?@@ LM) la una scăzută (ce poate fi cuprinsă între # !i #?@@ M),

fiind consacrat ca !i „adaptor de impedanţă”. "e!i c/!tigul în curent al montajului în este mare, c/!tigul de putere este mai redus dec/t în cazul celorlalte două configuraţii.

Amplificarea în curent, γ , specifică montajului în este dată de relaţia+

B

E

I

I

∆

∆=γ (#?)

iar legătura dintre amplificarea în curent pentru > !i este dată de relaţia+#+= β γ (#5)

8/18/2019 Curs05ETH

11/16

8/18/2019 Curs05ETH

12/16


care tranzistorul o poate disipa fără a atinge o temperatură periculoasă pentruintegritatea sa.

arametrii 2>, ;AO,

8/18/2019 Curs05ETH

13/16


A!a cum se poate obsera din *igura #4, de o parte !i de alta a canalului de tip Nsunt implantate două regiuni de tip , care constituie grila dispozitiului. "eoarece lacontactul între cele două tipuri de semiconductoare ia na!tere o joncţiune N, dispozitiul

poartă denumirea de tranzistorul cu efect de câmp şi joncţiune, iar denumirea lui prescurtată este *>$ (de la unction $ield Effect Transistor).

rincipiul de funcţionare al unui *>$ cu canal N este ilustrat în *igura #:.

$i%ura 1). >oluţia zonei de sărăcire în interiorul canalului de tip N odată cu cre!terea totmai aansată a tensiunii inerse aplicate pe grilă.

A!a cum se poate obsera din *igura #:, polarizarea inersă tot mai aansată agrilei determină lărgirea tot mai accentuată a zonei de sărăcire, ajung/ndu3se în situaţia încare canalul este complet golit de purtători de sarcină, bloc/nd trecerea curentului electric.

otenţialul pentru care are loc blocarea canalului poartă numele de tensiune de blocaresau tensiune de pra%, notată . onectarea în circuit a unui *>$ este ilustrată în *igura#9.

$i%ura 1. ;odul de conectare al unui *>$ în circuit (a) !i sc&ema ec&ialentă (b).

rin conectarea unei surse de curent între sursă !i drenă, curentul ce străbatecanalul este controlat de polarizarea joncţiunii grilă3sursă. Astfel, în cazul unui canal de tip

N, curentul de electroni ce străbate canalul este ma0im pentru o polarizare inersă minimăa grilei !i poate fi redus la @ prin cre!terea tensiunii inerse aplicate.

A/nd în edere faptul că la transportul curentului electric participă un singur felde purtători de sarcină !i că ace!tia nu trebuie să străbată nici o joncţiuni, teoretic, canalul

poate fi polarizat în orice direcţie, funcţion/nd ca o rezistenţă ariabilă comandată detensiunea aplicată pe grilă,

8/18/2019 Curs05ETH

14/16

8/18/2019 Curs05ETH

15/16


$i%ura 1. A) -tructura unui condensator ;- (;etalS0idS-emiconductor)= )ondensator ;- polarizat.

A!a cum se poate obsera din *igura #5.A, un condensator ;- este alcătuit dintr3un e!antion de material semiconductor (de tip , în cazul nostru) acoperit de un stratsubţire de izolator din -i4, peste care este depus un strat metalic. 'n momentul în careacest condensator este polarizat ca în *igura #5., în primă instanţă, sub stratul de o0id dindreptul armăturii metalice se creează o zonă de sărăcire prin respingerea golurilor de către

c/mpul electric. resc/nd !i mai mult polarizarea, după depă!irea unei tensiuni de prag,, zona de sărăcire se deplasează spre interiorul semiconductorului iar electronii dinacesta sunt atra!i în zone adiacentă stratului de o0id, d/nd na!tere unei zone de inersie, însensul că electronii dein purtători majoritari într3un semiconductor de tip .

entru construcţia propriu3zisă a tranzistorului ;-*>$, a!a cum se poate obseradin *igura #J.A, se porne!te de la un e!antion de substrat semiconductor de tip în care seformează, prin difuzie, două regiuni de tip N puternic dopate, constituind sursa !i drenatranzistorului. -uprafaţa semiconductorului cuprinsă între sursă !i drenă se acoperă cu unstrat de izolator (o0id), peste care se depune o peliculă metalică ce constituie grilatranzistorului.

ontactul la substrat constituie baza tranzistorului care, în mod obi!nuit, se

conectează intern la sursa acestuia, constituind punctul de referinţă pentru potenţiale.'n funcţie de natura zonei de inersie ce ia na!tere la interfaţa o0idSsemiconductor

se pot construi tranzistoare ;-*>$+ cu canal indus, ce apare în substrat numai după aplicarea unei tensiuni electrice

între grilă !i acesta, tranzistorul rezultat purt/nd denumirea de M!"ET #u #ana$ %ndus.

cu canal iniţial, format prin doparea corespunzătoare a suprafeţeisemiconductorului de sub stratul de o0id, tranzistorul rezultat purt/nd denumireade M!"ET #u #ana$ %n%&%a$ .

$i%ura 12. A) -tructura unui tranzistor ;-*>$= ) $ranzistor ;-*>$ polarizat.

onect/nd tranzistorul ;-*>$ în circuit a!a cum este indicat în *igura #J.,odată cu depă!irea tensiunii de prag, , electronii sunt atra!i în zona de inersie,

#?

8/18/2019 Curs05ETH

16/16


asigur/nd circulaţia curentului între drenă !i sursă. ineînţeles, intensitatea curentului cestrăbate canalul este controlată de tensiunea aplicată grilei, 6C-. aracteristicile de intrare!i de ie!ire ale unui tranzistor de tip ;-*>$ sunt prezentate în *igura #F.

$i%ura 13. A) aracteristica de intrare a unui ;-*>$= ) aracteristica de ie!ire a unui;-*>$.

A!a cum se obseră din *igura #F.A, pentru a determina trecerea curentului întredrenă !i sursă, tensiunea între grilă !i sursă trebuie să depă!ească 6 p, iar caracteristica

ulterioară este una neliniară.'n ceea ce prie!te caracteristica de ie!ire, a!a cum se poate obsera din *igura#F., după o foarte îngustă zonă o&mică, tranzistorul intră în regiunea de saturaţie, în carecurentul ariază relati puţin cu cre!terea tensiunii drenă3sursă, panta acestor dependenţedepinz/nd de tensiunea aplicată pe grilă.

dată cu inentarea tranzistoarelor ;-*>$, acestea s3au impus rapid în industriaelectronică, datorită unor aantaje majore, printre care menţionăm+

*aţă de tranzistorul *>$, potenţialul aplicat grilei unui ;-*>$ pentru aducereaacestuia în conducţie are aceea!i polaritate ca !i potenţialul aplicat drenei, deci se

poate utiliza o singură sursă de alimentare at/t pentru polarizarea grilei, c/t !i adrenei.

1ipsa unei joncţiuni la nielul grilei permite obţinerea unor curenţi de grilă infimi,de ordinul a #@3D A.

Kezistenţe e0trem de reduse în stare de conducţie, ajung/ndu3se la alori sub @.# Mîn cazul tranzistoarelor de putere.

$ensiuni de străpungere de alori foarte mari, de p/nă la #@@@ 6 urenţi de drenă e0trem de mari, de ordinul a #@@34@@ A.

rintre cele mai populare tranzistoare de tip ;-*>$ se numără modele

Curs05ETH

Documents

Transcript of Curs05ETH