Structura si parametrii functionali ai tranzistorului bipolar

Structura si parametrii functionali

Definitie: Un tranzistor cu jonctiuni este un dispozitiv semiconductor format dintr-un monocristal de Ge sau Si in care se creeaza prin impurificare 3 regiuni alternativ dopate.

Tranzistorul bipolar are rolul de amplificare a semnalelor.

a. Structura si simbol

In functie de doparea regiunilor exista doua tipuri de tranzistoare : pnp si npn. Regiunile de la extremitati, care sunt de acelasi tip, se numesc emitor E si colector C. Regiunea centrala, de conductibilitate opusa si mult mai subtire, se numeste baza B. Toate cele trei regiuni au contacte ohmice care sunt scoase in afara capsulei si se numesc terminale (electrozi).

Tranzistor npn

Tranzistor pnp

Fig. 1.21 Tranzistorul bipolar - structura si simbol

Jonctiunea emitor - baza se numeste jonctiunea emitorului J_E .

Jonctiunea baza - colector se numeste jonctiunea colectorului J_C .

Materialele folosite sunt de obicei Ge pentru tranzistoare pnp si Si pentru npn.

b. Marcaj si aspect fizic

Configuratia terminalelor este diferita. La tranzistoarele in capsula de metal, emitorul este langa indicator. Sunt folosite in amplificatoare de putere mica si medie, sau in circuite de comutatie.

Fig. 1.22 Identificare terminale tranzistor bipolar

Producatorii de dispozitive clasifica tranzistoarele in trei mari categorii:

Tranzistoare de semnal mic - de uz general

Tranzistoare de putere

Tranzistoare de frecventa inalta

Tranzistoarele de semnal mic au capsule din material plastic (TO-92), metal (TO-18) sau capsula SOT-23 pentru tranzistori in tehnologia SMD (montat pe suprafata).

Pentru identificarea tranzistoarelor se folosesc diferite coduri:

Primul mod de marcare

Prima litera semnifica tipul materialului semiconductor.

A - Ge

B - Si

C - Galiu - Arsen

D - Indiu - Antimoniu

A doua litera indica domeniul de utilizare

C tranzistor de putere mica si joasa frecventa

D - tranzistor de putere mare si joasa frecventa

F - tranzistor de putere mica si inalta frecventa

Cifrele indica un tip particular de tranzistor, neexistand o logica universal valabila pentru alegerea lor.

Exemple: BC 170; BD 137; AC 188

Fig. 1.23 Exemple de tranzistoare Fig. 1.24 Tranzistor montat pe radiator

Al doilea mod de marcare incepe cu 2N.

este simbolul pentru tranzistor in timp ce pentru diode este 1.

N este simbolul pentru Si. Exemplu: 2N 3055

Al treilea mod de marcare este format din trei litere si doua cifre pentru tranzistoare destinate aplicatiilor speciale.

Exemplu: TIP 31 - tranzistor fabricat de Texas Instruments (literele T si I) iar litera P indica un tranzistor de putere.

Tranzistoarele de putere au capsule metalice sau capsule ceramice cu radiatoare. Se folosesc in circuite cu tensiuni, curenti sau puteri mari, cum ar fi etajul final audio al carui semnal se aplica difuzoarelor. De obicei colectorul este conectat la capsula metalica, iar acesta se pune in contact termic cu un radiator pentru disiparea caldurii.

Fig. 1.25 Tranzistoare de putere

Tranzistoarele de inalta frecventa - RF au capsule de forme diferite si pot avea mai multe terminale. Sunt folosite in telecomunicatii si alte aparate ce lucreaza la frecvente foarte mari.

Fig. 1.26 Tranzistor de inalta frecventa

c. Tensiuni si curenti specifici

I_E - curent de emitor U_CE - tensiune colector - emitor

I_B - curent de baza U_CB - tensiune colector - baza

I_C - curent de colector U_BE - tensiune baza - emitor

Fig. 1.27 Tranzistorul bipolar - sensul curentilor si tensiunilor

d. Parametri limita

In cataloagele de tranzistoare se specifica o serie de parametri pentru fiecare tip de tranzistor. Cei mai importanti sunt parametri - limita ce constituie valori maxim admisibile a caror depasire duce la distrugerea tranzistorului.

T_{j max} [ °C ] - temperatura maxima admisibila a jonctiunii

T_j max = 125- 175 °C pentru Si, iar pentru Ge , T_j max = 80 - 100 °C

I_{C max} [ A ] - curentul de colector maxim admisibil

U_{CE max} [ V ] - tensiunea colector - emitor maxim admisibila - este tensiunea inversa maxima pe colectorul tranzistorului, care nu trebuie sa depaseasca tensiunea de strapungere care ar duce la distrugerea jonctiunii.

Tensiunea de strapungere este mai mare la conexiunea BC decat la conexiunea EC a tranzistorului si este data in cataloage.

P_{d max}[W] - puterea disipata maxima - este data de puterea disipata pe cele 2 jonctiuni J_E si J_C .

P_{d max} = P_dE + P_dC = U_BEI_E + U_CBI_C

Deoarece in regim activ normal U_BE << U_{CB ,} se considera ca intreaga putere se disipa pe colector.

P_{d max} = P_{d C}

In cazul tranzistoarelor de putere, pentru disipatia caldurii se folosesc radiatoare de Cu sau Al pe care se monteaza colectoarele tranzistoarelor. Pentru orice tranzistor se poate trasa curba puterii de disipatie - o hiperbola, in planul caracteristicii de iesire

I_C = f(U_CE)

Graficul arata ca un tranzistor nu poate functiona in regiunea hasurata limitata de I_{C max} si U_{CE max.}

Fig. 1.28 Graficul puterii disipate

e. Principiu de functionare

In regim activ normal J_E se polarizeaza direct cu o tensiune de ordinul zecimilor de volti, iar J_C se polarizeaza invers cu tensiuni de ordinul voltilor.

Fig 1.29 Polarizarea si functionarea tranzistorului in montaj BC

Jonctiunea emitor - baza fiind polarizata direct va fi strabatuta de un curent de difuzie dat de golurile majoritare din E care va ajunge in cea mai mare parte in C, strabatand baza B care este foarte subtire.

Jonctiunea colectorului, fiind polarizata invers este strabatuta de 2 curenti: curentul de difuzie dat de golurile din E care au strabatut baza, si de curentii de camp dati de purtatorii minoritari generati pe cale termica din B si din C, numit curent rezidual I_CBO, foarte mic de ordinul μA, nA.

Activitatea de invatare 1.3.1

Competenta

Identifica componente electronice

Obiective:

La sfarsitul acestei activitati vei fi capabil:

- sa precizezi structura tranzistoarelor bipolare

- sa identifici marimile fizice care caracterizeaza tranzistoarele bipolare

Obiectivul: Aceasta activitate va va ajuta sa corelati notatiile marimilor fizice care caracterizeaza structura tranzistorului bipolar si semnificatia acestora.

Enunt : Realizati asocierile corecte dintre notatiile din coloana A si semnificatiile acestora din coloana B.

Activitatea de invatare 1.3.2

Competenta

Identifica componente electronice

Obiective:

La sfarsitul acestei activitati vei fi capabil:

- sa identifici tranzistoarele bipolare dupa simbol

- sa sortezi tranzistoarele bipolare dupa aspectul fizic

- sa precizezi tipul tranzistoarelor bipolare dupa marcaj

Obiectivul: Aceasta activitate va va ajuta sa aprofundati si sa sintetizati informatiile referitoare la structura, simbol si marcaj.

Enunt : Folosind surse diferite ( internet, manual, reviste de specialitate, fisa de documentare 1.3, etc.) obtineti informatii despre tranzistoare bipolare si organizati-le dupa modelul urmator:

Activitatea de invatare 1.3.3

Competenta

Identifica componente electronice

Obiective:

La sfarsitul acestei activitati vei fi capabil:

- sa precizezi parametrii limita ai tranzistorului bipolar

- sa precizezi principiul de functionare al tranzistorului bipolar

Obiectivul: Dupa aceasta activitate veti fi capabili sa identificati functionarea tranzistoarelor bipolare.

Enunt : Cercetati si aplicati!

Fiecare grupa trebuie sa se documenteze despre parametrii limita, structura si principiul de functionare al tranzistoarelor bipolare, folosind materialul din fisa de documentare 1.3 .

Fiecare grupa trebuie sa completeze cate o coloana a tabelului.

Pentru acest lucru aveti la dispozitie 10 minute. Dupa ce ati devenit "experti" in subtema studiata, reorganizati grupele astfel incat in grupele nou formate sa existe cel putin o persoana din fiecare grupa initiala. Timp de 10 minute veti impartasi cu ceilalti colegi din grupa nou formata cunostintele acumulate la pasul anterior.