Efectul de tranzistor

Efectul de tranzistor

Utilizarea tranzistoarelor bipolare ín aplicatii de tipul amplificatoarelor de semnal se bazeaza pe efectul de tranzistor, care apare atunci cänd cele doua jonctiuni PN sunt polarizate ín mod diferit: o jonctiune este polarizata direct, iar cealalta jonctiune este polarizata invers. Ín cele ce urmeaza, ín absenta altor precizari, se va presupune ca tranzistorul bipolar poate fi reprezentat printr-un model unidimensional, ca ín fig. 1.4 (desenul nu este facut la scara). La echilibru termic, cele doua jonctiuni sunt caracterizate prin barierele si de potential, regiunile de trecere avänd largimile si , astfel ca grosimea efectiva a bazei este mai mica decät grosimea constructiva . Íntrucät fiecare dintre cele doua jonctiuni ale tranzistorului poate fi polarizata direct sau invers, rezulta patru combinatii ale polarizarilor jonctiunilor dispozitivului. Evident, comportarea tranzistorului bipolar este diferita de la un mod de functionare la altul.

Fig. 1.4. Modelul unidimensional al TB la echilibru termic

Efectul de tranzistor este efectul care apare íntr-un tranzistor bipolar cu jonctiunile polarizate ín moduri diferite si care consta ín comanda unui curent invers important prin jonctiunea polarizata invers, prin intermediul curentului direct al celeilalte jonctiuni.

Pentru ca aparitia acestui efect sa fie posibila, structura tranzistorului bipolar trebuie sa índeplineasca urmatoarele conditii tehnologice:

- grosimea constructiva a bazei este mult mai mica decät lungimile de difuzie ale purtatorilor minoritari, care sunt injectati ín aceasta regiune (

- regiunea emitorului este mult mai dopata decät regiunea bazei.

Din cauza asimetriei tranzistorului ín raport cu regiunea bazei, efectul de tranzistor va fi diferit, dupa cum jonctiunea baza-emitor sau jonctiunea baza-colector va fi considerata jonctiune de comanda (polarizata direct). Aceasta diferenta va fi pusa ín evidenta, consideränd cele doua regimuri posibile de functionare ale unui tranzistor bipolar, ín care apare un efect de tranzistor. Pentru fiecare regim considerat, va fi explicata functionarea tranzistorului bipolar de tip NPN, de mica putere, dänd ín acelasi timp si o descriere simplificata a comportarii tranzistorului. Rezultatele ce vor fi obtinute pot fi usor transpuse la cazul unui tranzistor bipolar de tip PNP, prin schimbarea semnului fiecarei tensiuni si al fiecarui curent si prin inversarea sensului de conductie al diodelor din reprezentarea schematica.

Ecuatiile prin care va fi descris efectul de tranzistor au fost deduse de Ebers si Moll, presupunänd ca jonctiunile tranzistorului sunt plane si paralele, sectiunea transversala prin componenta este constanta, dopajul este uniform ín fiecare din cele trei regiuni semiconductoare si injectia este slaba.

1. Efectul de tranzistor ín regim activ normal

Regimul activ normal, abreviat prin RAN, este acel regim de functionare al tranzistorului bipolar, care se stabileste atunci cänd jonctiunea baza-emitor este polarizata direct si jonctiunea baza-colector este polarizata invers (fig. 1.5).

Polarizarea directa a jonctiunii baza-emitor are ca efect diminuarea atät a ínaltimii barierei de potential (care devine ), cät si a largimii regiunii de trecere (de la la ), ín timp ce polarizarea inversa a jonctiunii baza-colector conduce la o crestere a ínaltimii barierei de potential (care ajunge ) si a largimii regiunii de trecere (de la la ). Ín aceste conditii, largimea efectiva a bazei scade (

Atunci cänd jonctiunea baza-emitor este polarizata direct, electronii din emitor, ca si golurile din baza, pot ínvinge bariera de potential. Golurile injectate de baza ín emitor se recombina ín aceasta zona. O parte foarte mica din electronii injectati de emitor ín baza se recombina cu golurile din baza, astfel ca cea mai mare parte a fluxului electronilor traverseaza baza, prin difuzie, päna la jonctiunea baza-colector. Ajunsi aici, electronii íntälnesc un cämp electric accelerator important, deoarece aceasta jonctiune este polarizata invers. Toti acesti electroni trec imediat ín colector, unde sunt ínghititi de gropile de potential ale colectorului.

Fig. 1.5. Regimul activ normal al TB

Jonctiunea baza-emitor (jonctiunea de comanda a tranzistorului bipolar) este traversata de un curent important, constituit aproape ín exclusivitate din electroni, din cauza dopajului foarte puternic al emitorului (fig. 1.5). Prin urmare, se poate scrie ca . Íntrucät grosimea efectiva a bazei este mult mai mica decät lungimile de difuzie ale electronilor si golurilor, se poate admite ca eficienta injectiei de electroni, la traversarea jonctiunii baza-emitor, este apropiata de unitate.

Ín regim activ normal, jonctiunea baza-colector (polarizata invers) este traversata de un curent invers important, constituit aproape in exclusivitate din electroni, din cauza faptului ca numarul recombinarilor ín baza este foarte mic. Daca se considera ca este curentul invers de saturatie al jonctiunii baza-colector (polarizata cu tensiunea ), se va obtine ecuatia curentului de colector, de forma

. (1.7)

Tinänd seama ca si , ecuatia (1.7) devine

. (1.8)

Coeficientul sau , prin care se tine seama de pierderile de electroni, prin recombinare ín baza, reprezinta factorul static de amplificare ín curent, íntre emitorul si colectorul tranzistorului bipolar ín regim activ normal :

. (1.9)

Ín relatia (1.9), a fost neglijat ín raport cu , íntrucät are o valoare foarte mica (). Amplificarea statica ín curent a tranzistorului are valori apropiate de unitate . Curentul de colector fiind usor inferior curentului de emitor, rezulta ca, ín regim activ normal, curentul de baza al tranzistorului,

(1.10)

este mult mai mic decät fiecare din ceilalti doi curenti. Curentul de baza este, de fapt, rezultatul recombinarilor íntre electroni si goluri, care se produc ín toate regiunile tranzistorului. Ín regim activ normal, numarul acestor recombinari este mic.

Daca se introduce ecuatia (1) ín (1.8), se obtine o noua ecuatie íntre doi curenti ai tranzistorului ín regim activ normal, de forma

(1.11)

Introducänd notatia

(1.12)

ecuatia (1.11) capata forma

(1.13)

Tinänd seama de definitia curentului rezidual , ecuatia (1.13) poate fi pusa ín forma

(1.14)

Din (1.13) si (1.14), rezulta o relatie íntre doi curenti reziduali de colector ai tranzistorului, anume

(1.15)

si relatia de definitie a coeficientului

(1.16)

Coeficientul sau , este numit factor static de amplificare ín curent, íntre baza si colectorul tranzistorului bipolar ín regim activ normal. Cei doi parametri statici, care descriu comportarea tranzistorului ín regim activ normal, au valori mult diferite: este subunitar, ín timp ce este mult mai mare decät unitatea (). Din aceasta cauza, curentul rezidual este mult mai mare decät

2. Efectul de tranzistor ín regim activ invers

Regimul activ invers, abreviat prin RAI, este regimul de functionare al tranzistorului bipolar, care se stabileste atunci cänd jonctiunea baza-emitor este polarizata invers, iar jonctiunea baza-colector este polarizata direct (fig. 1.6). Aceasta ínseamna ca jonctiunea baza-colector va comanda curentul prin jonctiunea baza-emitor.

Ín acest regim de functionare, ínaltimea barierei de potential si largimea regiunii de trecere ale jonctiunii baza-emitor vor creste si aceleasi marimi ale jonctiunii baza-colector vor scadea. Ín aceste conditii, largimea efectiva a bazei scade (). Fenomenele care se petrec sunt asemanatoare acelora din regim activ normal, dar la alta scara, deoarece regiunea colectorului, care injecteaza electroni ín baza, este mai slab dopata si mai íntinsa decät regiunea emitorului. Din cauza acestor diferente tehnologice dintre cele doua jonctiuni, curentii de colector si de emitor vor fi mai mici decät aceia care circula ín regim activ normal, ín aceleasi conditii de polarizare. Ín plus, curentii si , care apar ca urmare a polarizarilor celor doua jonctiuni, au un sens invers aceluia din regim activ normal, considerat ca sens normal. Lucrurile se petrec ca si cum emitorul si colectorul ar fi fost inversate. Procedänd ín mod similar, se gaseste ecuatia care leaga curentii si ín regim activ invers, de forma

(1.17)

Daca se tine seama ca si , ecuatia (1.17) devine

(1.18)

Coeficientul sau , prin care se tine seama de pierderile de electroni, prin recombinare ín baza, reprezinta factorul static de amplificare ín curent, íntre colectorul si emitorul tranzistorului bipolar ín regim activ invers. Din (1.18), rezulta

(1.19)

Ín relatia (1.9), a fost neglijat ín raport cu , íntrucät are o valoare foarte mica (). Parametrul static are valori mai mici decät , respectiv

Fig. 1.6. Regimul activ invers al TB

Comparänd rezultatele obtinute pentru tranzistor, considerat pe ränd ín regim activ normal si ín regim activ invers, se observa ca:

- pentru aceeasi valoare a tensiunii de polarizare directa a jonctiunii baza-emitor si, apoi, a jonctiunii baza-colector, curentii obtinuti prin jonctiunea de comanda si prin jonctiunea comandata sunt net diferiti, efectul de tranzistor fiind mai puternic ín regim activ normal;

- ín regim activ normal, se obtine un factor static de amplificare ín curent mai mare decät acela obtinut ín regim activ invers (

Cauza acestor diferente de comportare a tranzistorului bipolar, ín cele doua regimuri de functionare, rezida ín asimetria geometrica si tehnologica a structurii dispozitivului. Ín pofida acestei asimetrii structurale a unui tranzistor, marimile si verifica relatia

(1.20)

Trasatura comuna celor doua regimuri active ale tranzistorului bipolar o constituie relatia liniara dintre curentii dispozitivului.

Rezultatele obtinute pentru un tranzistor bipolar de tip NPN pot fi usor transpuse la un tranzistor bipolar de tip PNP, prin schimbarea semnului fiecarei tensiuni. Procedänd astfel, ecuatiile (1.7) si (1.17), pentru un tranzistor bipolar de tip PNP vor fi scrise

(1.21)

(1.22)