1. TRANZISTORUL BIPOLAR

1.1 Structura si procese fizice in TB conventional

Tranzistorul bipolar (TB) conventional reprezinta un dispozitiv semiconductor cu trei terminale, a carui functie principala este cea de amplificare liniara a semnalelor electrice. Constructiv acest tip de tranzistor consta din doua jonctiuni pn "cuplate" intre ele prin intermediul purtatorilor minoritari. Dupa modalitatea de realizare si cuplare a jonctiunilor se formeaza fie o structura npn, fie una pnp.

Fig.1 Structura fizica si profilurile de dopare la un tranzistor npn

Se considera o structura npn (fig.1) la care se disting trei regiuni: emitorul E, baza B si colectorul C. Indiferent de natura purtatorilor mobili de sarcina (electroni sau goluri) emitorul este "sursa" de purtatori iar colectorul "colecteaza" acesti purtatori. In regim normal de functionare jonctiunea emitor-baza este polarizata direct, iar jonctiunea colector-baza este polarizata invers. Modelul benzilor de energie pentru aceasta situatie este aratat in fig.2.b.; modelul benzilor TB la echilibru termo-dinamic este reprezentat in fig.2.a. In esenta "efectul tranzistor" consta in comanda curentului invers de colector de catre curentul direct al jonctiunii emitor-baza; aceasta comanda este eficienta numai cind largimea bazei este foarte mica in comparatie cu lungimea de difuzie a purtatorilor minoritari prin baza.
Tranzistorul bipolar poate fi montat in circuit in trei conexiuni fundamentale: baza comuna (BC), emitor comun (EC) si colector comun (CC); denumirea conexiunii este data de terminalul comun circuitului de intrare si celui de iesire.
Pentru a discuta functionarea TB conventional, pe baza structurii npn din fig.1.a in conexiune BC se observa modul de distributie a concentratiilor de impuritati in cele trei regiuni : N_DE in emitor, N_AB in baza si N_DC in colector. La tranzistoarele actuale cu bune performante concentratiile impuritatilor se afla in raportul N_DE>>N_AB>N_DC (fig.1.b); in acelasi raport se afla si concentratiile purtatorilor majoritari: n_0E>>p_0B>n_0C; concentratiile purtatorilor minoritari se afla intr-un raport invers: p_0E<<n_0B<p_0C. Ca urmare a profilului de dopare cu impuritati specificat mai sus, aceste tranzistoare sunt marcate: n⁺⁺p⁺n pentru o structura npn, si p₊₊n₊p pentru o structura pnp.

Fig. 2 Modelul benzilor energetice la tranzistorul bipolar npn

Pe scurt, procesele de conductie din TB decurg dupa cum urmeaza. Jonctiunea emitor-baza este polarizata direct si o cantitate mare de electroni este injectata din emitor in baza. Acesti electroni se deplaseaza spre colector prin procese de difuzie (la tranzistoarele"drift" cu concentratie neuniforma a impuritatilor in baza intervin si procese de drift) si marea majoritate, peste 99%, ajung la jonctiunea colector-baza; o mica cantitate de electroni se recombina cu golurile existente in baza. Electronii care ajung la colector participa la trecerea curentului invers prin jonctiunea colector-baza. Curentul total de emitor are doua componente I_E = I_nE + I_pE, unde componenta electronica I_nE este data de electronii injectati in baza, iar componenta de goluri I_pE este data de golurile care se deplaseaza din baza in emitor; avind in vedere raportul concentratiilor de dopare avem I_nE >> I_pE.
Curentul total de colector are, de asemenea, doua compo-nente I_C = I_nC + I_pC; componenta I_nC este data in principal de electronii proveniti din emitor si care au traversat baza; componenta I_pC este data de golurile care trec din colector in baza. Asa cum rezulta din procesele descrise mai sus, cantitatea de electroni ce traverseaza jonctiunea colector-baza este mult mai mare decit cantitatea de goluri care trece din colector in baza, prin urmare are loc inegalitatea I_nC >> I_pC. Curentul de baza I_B are mai multe componente: electronii care se recombina in baza, golurile care se deplaseaza inspre emitor, curentul rezidual de colector I_C0, obtinut in condita I_E = 0.

1.2 Expresiile curentilor din TB. Caracteristici statice
1.2.1 Expresiile curentilor
Expresiile curentilor prin TB sunt date de ecuatiile generalizate Shockley:

	(1)
	(2)

unde coeficientii a_ij sunt definiti de relatiile:

	(3)
	(4)
	(5)
	(6)

Marimile utilizate in aceste relatii au urmatoarele semnificatii: V_EB si V_CB sunt tensiunile aplicate pe jonctiunea emitorbaza, respectiv colector-baza; V_T=K_BT/q este potentialul termic (la temperatura camerei T300K, VT0,025 V; A_E, A_C sunt ariile jonctiunilor; D_E, D_B, D_C sunt constantele de difuzie pentru purtatorii minoritari in emitor, respectiv baza si colector ; L_E, L_B, L_C ,sunt lungimile de difuzie ale purtatorilor minoritari in regiunile specificate de indici; p_0E, n_0B, p_0C sunt concentratiile purtatorilor minoritari in emitor, respectiv baza si colector; w este largimea efectiva a bazei.
Curentul din baza rezulta din relatia:

(7)

1.2.2 Caracteristici statice in conexiunea BC

Fiind un dispozitiv cu trei terminale, la TB exista trei tensiuni si trei curenti, unde ca urmare a legilor lui Kirchhoff, numai doua tensiuni si doi curenti sunt independenti; a treia marime (tensiune sau curent) este univoc determinata de primele doua. Din cele patru marimi ramase, doua se considera variabile independente iar celelalte doua sunt considerate functii; rezulta astfel patru familii de caracteristici statice. In conexiunea BC aceste caracteristici sunt definite prin relatiile (in ordinea importantei):

(8)

In practica curenta se utilizeaza primele trei familii; a patra familie se utilizeaza pentru tranzistoarele speciale de inalta frecventa.

a. Caracteristici de iesire, I_C = f(V_CB), cu I_E parametru este reprezentata in fig.3.a. Pe aceasta familie se disting trei regiuni de functionare a tranzistorului:
-(I) Regiunea activa in care jonctiunea emitor-baza este polarizata direct iar jonctiunea colector-baza este polarizata invers; este regiunea de functionare normala a TB ca amplificator si oscilator. Intrucit I_C este un curent invers, el prezinta o slaba dependenta de tensiunea V_CB; cresterea usoara a curentului I_C in functie de V_CB este datorata micsorarii largimii efective a bazei w (prin efect Early) cind V_CB creste.

Fig.3. Caracteristici statice ale tranzistorului bipolar in montaj baza comuna
a.- caracteristici de iesire, b.-caracteristici de transfer, c.-caracteristici de intrare

-(II) Regiunea de saturatie, caracterizata prin polarizarea directa a ambelor jonctiuni; este situata in cadranul al doilea unde V_CB devine negativ.
-(III) Regiunea de blocare, caracterizata prin faptul ca ambele jonctiuni sunt polarizate invers. Regiunile (II) si (III) sunt utilizate in procesele de comutare ale TB. Drept expresie analitica aproximativa pentru descrierea acestei familii de caracteristici poate servi relatia (2) in care se neglijeaza exp(V_CB/V_T) in raport cu unitatea; neglijarea este posibila intrucit V_CB este o tensiune de polarizare inversa si V_CB>>V_T.

b. Caracteristici de transfer, I_C = f(I_E), cu V_CB parametru sunt reprezentate in fig.3.b si arata ca intre I_C si I_E exista o dependenta liniara. Aceasta dependenta poate fi descrisa analitic printr-o relatie simplificata. Cel mai important parametru care se utilizeaza pentru caracterizarea globala a TB in conexiunea BC este cistigul (factorul) de curent h_21b = a₀, definit prin relatia:

(9)

tinind cont de aceasta relatie si de curentul rezidual I_C0, se poate scrie:

(10)

Influenta slaba a tensiunii V_CB asupra familiei caracteristicilor de transfer se explica tot prin efect Early; micsorarea largimii efective a bazei duce la cresterea cistigului de curent.

c. Caracteristici de intrare, reprezentate sub forma I_E = f(V_EB) cu V_CB parametru, sunt date in fig.3.c. Forma unei caracteristici este asemanatoare cu cea a unei diode polarizate direct; acest fapt decurge si din relatia (2) in care se neglijeaza exp (V_CB/V_T) in raport cu unitatea. Se constata o anumita influenta a tensiunii V_CB, care poate fi explicata prin cresterea gradientului de concentratie a purtatorilor minoritari in baza odata cu cresterea tensiunii V_CB.

1.2.3 Caracteristici statice in conexiune EC
a. Caracteristici de iesire, I_C=f(V_CE), cu I_B parametru prezentate in fig.4.a. Se disting trei regiuni de functionare:
-(I) Regiunea activa in care jonctiunea baza-emitor este polarizata direct iar jonctiunea colector-baza este polarizata invers. Trebuie observat ca in aceasta regiune atit pe baza cit si pe colector sunt aplicate tensiuni pozitive in raport cu emitorul si V_CE>V_BE. Panta caracteristicilor este mai mare decit la conexiunea BC; aceasta particularitate se explica prin faptul ca in cazul conexiunii EC efectul Early influenteaza curentul I_C prin intermediul factorului b₀ = a₀/(1-a₀) (in conexiunea BC efectul Early influenteaza curentul I_C prin intermediul factorului a₀). In acest sens este utila stabilirea unei dependente convena-bile intre I_C si I_B. Daca in (10) se inlocuieste I_E cu valoarea scoasa din (7) se obtine:

(11)

unde:

(12)

marimea b₀ reprezinta cistigul de curent in conexiune EC.

Fig. 4 Caracteristici statice ale tranzistorului in montaj emitor comun.
a.- caracteristici de iesire, b.-caracteristici de transfer, c.-caracteristici de intrare

-(II) Regiunea de saturatie in care ambele jonctiuni sunt polarizate direct; aceasta regiune este situata in primul cadran, intre ordonata si dreapta V_CE=V_BE; pentru V_CE<V_BE, ambele tensiuni fiind pozitive, cele doua jonctiuni sunt polarizate direct.
-(III) Regiunea de blocare in care ambele jonctiuni sunt polarizate invers; asa cum rezulta din (12) curentul I_CE0, care se obtine pentru I_B=0, este mult mai mare decit I_C0.

b. Caracteristici de transfer, I_C = f(I_B), cu V_CE parametru prezentate in fig.4.b. Forma lor difera mult de caracteristicile similare din conexiunea B_C; atit timp cit V_CE>V_BE (regiunea activa), caracteristicile reprezinta drepte descrise de relatia (11), avind panta egala cu b₀; pentru ten-siuni V_CE<V_BE coeficientul b₀ scade rapid la zero, putind lua valori negative, intrucit I_C isi poate schimba sensul.

c. Caracteristici de intrare, I_B=f(V_BE) cu V_CE parametru, ca in fig.4.c. Sunt de semnalat citeva particularitati: numai caracteristicile corespunzatoare valorii V_CE = 0 trec prin origine; pentru restul caracteristicilor avem I_B(V_BE=0) = - I_C0; influenta tensiunii V_CE este mai puternica in domeniul de valori V_CE<V_BE si devine neglijabila pentru V_CE>V_BE.

1.3 Parametrii h. Scheme echivalente de cuadripol

Pentru calculul circuitelor de amplificare, oscilatie, comutare, filtrare s.a. realizate cu TB, se utilizeaza schemele de cuadripol. In functie de tipul circuitului electronic si de regimul de functionare al TB schemele echivalente pot fi liniare (de semnal mic) sau neliniare. In continuare se prezinta scheme echivalente (modele) de semnal mic cu parametrii h.
Indiferent de conexiune TB poate fi privit ca un cuadripol (retea electrica) la care se disting patru borne accesibile, doua la intrare si doua la iesire. Cele trei tipuri de conexiuni fundamentale ale TB sunt indicate in fig.5.

Fig. 5 Modurile fundamentale de conectare in circuit a tranzistorului bipolar :
a.- Baza comuna (BC) , b.- Emitor comun (EC) , c.- Colector comun (CC)

Sub forma generala, mari-mile de intrare si de iesire au o componenta continua si una variabila (de semnal)

(13)

unde V_IQ, I_IQ, V_IIQ, I_IIQ reprezinta valorile continue ce definesc punctele statice de functionare; D_vI, D_iI, D_vII, D_iII sunt variatii ale marimilor respective in jurul valorilor continue. Conditia de semnal mic presupune: D_vI<<V_IQ, D_iI<<I_IQ, D_vII<< V_IIQ, D_iII<<I_IIQ. Parametrii h se obtin daca marimile i_I si v_II sunt considerate variabile independente iar v_I si i_II functii; se poate scrie:

(14)

Daca i_I si v_II prezinta variatii in jurul valorilor I_IQ si V_IIQ, atunci si v_I, i_II vor prezenta variatii in jurul valorilor V_IQ si I_IIQ. Pentru a stabili legatura intre variatiile tensiunilor si curentilor se efectueaza o dezvoltare in serie Taylor a expresiilor (14), in care se neglijeaza apoi termenii de ordin superior; rezulta:

(15)

unde marimile:

	(16)
	(17)

reprezinta parametrii h ai TB. Presupunind ca variatiile D_iI, D_vI. D_vII, D_iII reprezinta componente de semnal, ele pot fi notate prin valorile instantanee alternative:

(18)

Tinind cont de (13), din (15) se scoate:

(19)

parametrii h au un caracter diferential.
Relatiile (19) pot fi particularizate pentru cele trei tipuri de conexiuni:
-conexiunea EC, h_b:

(20)

-conexiunea EC, h_e:

(21)

-conexiunea CC, h_c:

(22)

Schemele echivalente corespunzatoare sunt reprezentate in fig.6. Sursele de tensiune si de curent din aceste scheme sunt controlate (dependente) astfel incit valorile lor depind de curentii si tensiunile la terminalele tranzistorului. Trebuie observat ca schemele echivalente prezentate se refera numai la componentele alternative de semnal ; parametrii h₁₁ si h₂₁ se determina in conditii de scurtcircuit la iesire iar h₂₁ si h₂₂ in conditii de gol la intrare.
Afara de sistemul de parametri h, la TB se pot defini, de asemenea, parametrii y si z care se utilizeaza mai rar.

2. Studiul experimental al TB
2.1 Trasarea caracteristicilor statice la TB

Trasarea caracteristicilor statice poate fi realizata pe caracteriscop, pe inregistrator grafic X-Y si prin metoda punct cu punct. Cea mai performanta modalitate este prima deoarece per-mite o analiza rapida pentru diferite polarizari, o comparatie directa a mai multor dispozitive de acelasi tip si asigura iden-tificarea regimurilor maxime de functionare fara distrugerea com-ponentelor. In continuare se prezinta metoda trasarii punct cu punct.

Fig.6 scheme echivalente cu parametri h pentru TB

Pentru comanda circuitului de intrare al TB este necesara o sursa de curent constant. Aceasta se realizeaza cu un circuit electronic activ sub forma unui modul SC, fixat pe planseta de lucru care este alimentat de la o sursa stabilizata de tensiune S1 si prezinta o rezistenta interna ridicata. Dupa montarea pe planseta a modulului de curent constant sursa de tensiune care il alimenteaza este reglata la 30V dupa care nu se mai actioneaza asupra ei, curentul constant fiind modificat din potentiometrul modulului SC si masurat cu instrumentul M1. Atentie la polaritatile sursei de alimentare si a modulului de curent constant.

I. Conexiunea BC Va fi utilizat montajul din fig.7 (pentru tranzistor npn).

Fig.7 Montaj pentru trasarea caracteristicilor statice in conexiune BC la un tranzistor npn

Sursa de curent SC pentru montaj BC asigura o modificare continua a curen-tului de emitor in limitele 110 mA. Urmarind inregistrarea dependentelor (8) se ridica valori pentru cel putin 5 caracteristici din fiecare familie, iar apoi se reprezinta grafic. Din caracteristicile statice obtinute se determina parametrii h_b in acord cu definitiile din 1.3.

(23)

II. Conexiunea EC
Se realizeaza montajul din fig.8 (tranzistor npn).

Fig.8 Montaj pentru trasarea caracteristicilor statice in conexiune EC la un tranzistor npn

Sursa de curent SC pentru monaj EC furnizeaza un curent constant reglabil intre 10100 mA. Se ridica valori pentru trasarea urmatoarelor familii de caracteristici:
-caracteristicile de iesire I_C = f₁(V_CE), I_B parametru;
-caracteristicile de intrare I_B = f₂(V_BE), V_CE parametru;
-caracteristicile de transfer I_C=f₃(I_B), V_CE parametru;
-caracteristicile de reactie V_BE=f₄(V_CE), I_B parametru. (facultativ)
Se vor reprezenta minimum cinci caracteristici din fiecare familie. Vor fi calculati parametrii h_e conform relatiilor:

(24)

In cadrul lucrarii sunt analizate tranzistoarele de mica putere cu siliciu din seria BC 107
Observatii:
1. Tranzistoarele planar-epitaxiale prezinta o dependenta de curent a amplificarii. La curenti mici de 0,11 mA amplificarea este mai redusa si creste de 2...3 ori la cresterea curentului, atingind un maxim la 1020 mA. Tranzistoarele sunt marcate cu indici suplimentari in functie de amplificarea in curent astfel:

Grupa A	h21e = 220 tipic	(125...260)
B	h21e = 330 tipic	(240...500)
C	h21e = 600 tipic	(450...900)

2. Familia BC107, 108, 109 in capsula metalica TO-18, se produce pe plan mondial din 1965 de catre Philips, Siemens, AEG-Telefunken, SESCOSEM, Texas Instruments, Motorola

Fairchild, SGS Thomson , IPRS Baneasa. Dupa 1975 se fabrica tranzistoare similare si echivalente in capsula de plastic, la un pret de cost mai mic cu 20¸40%. Capsulele sunt diferite ca forma si doar din aceasta cauza apar mai multe tipuri care de fapt sunt echivalente.

Tip	Tranzistoare echivalente
BC 107	147, 167, 207, 237, 547, 171
BC 108	148, 168, 208, 238, 548, 172
BC 109	149, 169, 209, 239, 549, 173

3. Puterea disipata la 45°C este pentru toate tipurile de cel putin 200 mW. Nu se recomanda ca la functionarea de lunga durata puterea sa depaseasca 150 mW,astfel incit jonctiunea sa aiba o temperatura sub 125°C, asigurindu-se fiabilitatea.
In anexa sunt prezentate caracteristicile tranzistoarelor din seria BC 107.

Fig.9 Caracteristicile statice de iesire la tranzistorul BC107 in montaj EC

Bibliografie:
1. D.D.Sandu, "Electronica fizica" Ed.Academiei, Bucuresti 1973;
2. D.D.Sandu, "Dispozitive si circuite electronice", Editura did. si ped. Buc.1975;
3. Dumitru Sandu, Florin Mihai Tufescu, "Dispozitive si circuite electronice, indrumar de lucrari practice", I-dispozitive electronice, Univ."Al.I.Cuza" Iasi,1989,
4. *** Industry Standard Analog ICS - SGS - Thomson 1989, SGS - Thomson Microelectronics;
5. *** CD - ROM DATA SH209 SGS-THOMSON 1997;
6. *** CD - ROM DATA PHILIPS 1998.;