Regimul de lucru si procesele fizice in tranzistorul bipolar

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:

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

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 U_EB. 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 U_EB 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 :

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

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)