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 : NDE in emitor, NAB in baza si NDC in colector. La tranzistoarele actuale cu bune performante concentratiile impuritatilor se afla in raportul NDE>>NAB>NDC (fig.1.b); in acelasi raport se afla si concentratiile purtatorilor majoritari: n0E>>p0B>n0C; concentratiile purtatorilor minoritari se afla intr-un raport invers: p0E<<n0B<p0C. 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 IE = InE + IpE, unde componenta electronica InE este data de electronii injectati in baza, iar componenta de goluri IpE este data de golurile care se deplaseaza din baza in emitor; avind in vedere raportul concentratiilor de dopare avem InE >> IpE.
Curentul total de colector are, de asemenea, doua compo-nente IC = InC + IpC; componenta InC este data in principal de electronii proveniti din emitor si care au traversat baza; componenta IpC 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 InC >> IpC. Curentul de baza IB are mai multe componente: electronii care se recombina in baza, golurile care se deplaseaza inspre emitor, curentul rezidual de colector IC0, obtinut in condita IE = 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 aij sunt definiti de relatiile:

(3)

(4)

(5)

(6)


Marimile utilizate in aceste relatii au urmatoarele semnificatii: VEB si VCB sunt tensiunile aplicate pe jonctiunea emitorbaza, respectiv colector-baza; VT=KBT/q este potentialul termic (la temperatura camerei T300K, VT0,025 V; AE, AC sunt ariile jonctiunilor; DE, DB, DC sunt constantele de difuzie pentru purtatorii minoritari in emitor, respectiv baza si colector ; LE, LB, LC ,sunt lungimile de difuzie ale purtatorilor minoritari in regiunile specificate de indici; p0E, n0B, p0C 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, IC = f(VCB), cu IE 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 IC este un curent invers, el prezinta o slaba dependenta de tensiunea VCB; cresterea usoara a curentului IC in functie de VCB este datorata micsorarii largimii efective a bazei w (prin efect Early) cind VCB 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 VCB 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(VCB/VT) in raport cu unitatea; neglijarea este posibila intrucit VCB este o tensiune de polarizare inversa si VCB>>VT.

b. Caracteristici de transfer, IC = f(IE), cu VCB parametru sunt reprezentate in fig.3.b si arata ca intre IC si IE 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 h21b = a0, definit prin relatia:

(9)

tinind cont de aceasta relatie si de curentul rezidual IC0, se poate scrie:

(10)

Influenta slaba a tensiunii VCB 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 IE = f(VEB) cu VCB 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 (VCB/VT) in raport cu unitatea. Se constata o anumita influenta a tensiunii VCB, care poate fi explicata prin cresterea gradientului de concentratie a purtatorilor minoritari in baza odata cu cresterea tensiunii VCB.

1.2.3 Caracteristici statice in conexiune EC
a. Caracteristici de iesire, IC=f(VCE), cu IB 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 VCE>VBE. Panta caracteristicilor este mai mare decit la conexiunea BC; aceasta particularitate se explica prin faptul ca in cazul conexiunii EC efectul Early influenteaza curentul IC prin intermediul factorului b0 = a0/(1-a0) (in conexiunea BC efectul Early influenteaza curentul IC prin intermediul factorului a0). In acest sens este utila stabilirea unei dependente convena-bile intre IC si IB. Daca in (10) se inlocuieste IE 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 VCE=VBE; pentru VCE<VBE, 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 ICE0, care se obtine pentru IB=0, este mult mai mare decit IC0.

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

c. Caracteristici de intrare, IB=f(VBE) cu VCE parametru, ca in fig.4.c. Sunt de semnalat citeva particularitati: numai caracteristicile corespunzatoare valorii VCE = 0 trec prin origine; pentru restul caracteristicilor avem IB(VBE=0) = - IC0; influenta tensiunii VCE este mai puternica in domeniul de valori VCE<VBE si devine neglijabila pentru VCE>VBE.

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 VIQ, IIQ, VIIQ, IIIQ reprezinta valorile continue ce definesc punctele statice de functionare; DvI, DiI, DvII, DiII sunt variatii ale marimilor respective in jurul valorilor continue. Conditia de semnal mic presupune: DvI<<VIQ, DiI<<IIQ, DvII<< VIIQ, DiII<<IIIQ. Parametrii h se obtin daca marimile iI si vII sunt considerate variabile independente iar vI si iII functii; se poate scrie:

(14)

Daca iI si vII prezinta variatii in jurul valorilor IIQ si VIIQ, atunci si vI, iII vor prezenta variatii in jurul valorilor VIQ si IIIQ. 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 DiI, DvI. DvII, DiII 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, hb:

(20)

-conexiunea EC, he:

(21)

-conexiunea CC, hc:

(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 hb 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 IC = f1(VCE), IB parametru;
-caracteristicile de intrare IB = f2(VBE), VCE parametru;
-caracteristicile de transfer IC=f3(IB), VCE parametru;
-caracteristicile de reactie VBE=f4(VCE), IB parametru. (facultativ)
Se vor reprezenta minimum cinci caracteristici din fiecare familie. Vor fi calculati parametrii he 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 2040%. 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 45C 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 125C, 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.;