Tranzistorul bipolar

Tranzistorul bipolar

Tranzistorul bipolar este un dispozitiv semiconductor cu doua jonctiuni in succesiune npn sau pnp. Cele trei zone se numesc emitor (E), baza (B), colector (C).

Tranzistoarele pot fi "pnp" (zona din mijloc dopata cu elemente "donoare" de electroni, celelalte doua dopate cu elemente "acceptoare"), sau "npn" (dopat invers). Totusi, din cauza grosimii foarte mici a zonei centrale (baza), cele doua jonctiuni nu functioneaza independent si intre terminalele extreme (colector si emitor) poate aparea un curent, aceasta fiind si proprietatea cea mai importanta a tranzistorului, si aceea care permite folosirea lui pe post de amplificator.

Se numeste bipolar deoarece conductia este asigurata de doua tipuri de purtatori de sarcina, electroni si goluri.

Particularitati constructive:

- E este mult mai impurificat decat B sau C;

- B este mult mai subtire decat E si C (de ordinul micronilor sau chiar zecimilor de microni).

In simbolurile grafice corespunzatoare celor doua structuri, npn si pnp (Fig. 2.1), sageata din simbol corespunde jonctiunii pn emitor-baza (varful sagetii merge intotdeauna de la zona p spre zona n) si arata si sensul normal pozitiv al curentului principal prin tranzistor.

Fig. 2.1 Structura si simbolurile grafice ale tranzistorului bipolar

Se pot defini trei curenti si trei tensiuni (Fig. 2.2), dar pentru descrierea functionarii nu sunt necesare toate aceste sase marimi. Tensiunile si curentii sunt legate prin relatiile:

u_CB = u_CE + u_EB si i_E = i_B + i_C

Fig. 2.2 Curentii si tensiunile tranzistorului bipolar

Deoarece tranzistorul amplifica in putere, adica transfera curentul din circuitul de intrare de rezistenta mica in circuitul de iesire de rezistenta mare, de aici denumirea TRANSfer reZISTOR adica transfer de rezistenta.

In functie de modul in care sunt polarizate cele doua jonctiuni, un tranzistor bipolar se poate afla in urmatoarele regimuri de functionare:

a) regimul activ normal, in care jonctiunea emitor-baza este polarizata direct iar jonctiunea colector-baza este polarizata invers. In acest regim se obtine cea mai mare amplificare;

b) regimul invers in care jonctiunile sunt polarizate invers fata de cazul anterior;

c) regimul de blocare in care ambele jonctiuni sunt polarizate invers. In acest caz tranzistorul este blocat (prin el nu circula curent);

d) regimul de saturatie in care cele doua jonctiuni sunt polarizate direct.

Curentii tranzistorului. Notand I_E ( unde - coeficient de transfer al emitorului) acea parte a curentului emitorului care trece prin jonctiunea colectorului, vom scrie expresia pentru curentul colectorului in modul urmator:

I_C = I_E + I_CB0

Curentul invers al colectorului. I_CB0 este egal cu curentul ce trece prin jonctiunea colectorului, cand la colector se aplica tensiune inversa si cand curentul emitorului este egal cu zero.

Prin contactul bazei trece curentul I_B, care este egal cu diferenta dintre curentul emitorului si colectorului:

I_B = I_E - I_C

Din cele doua relatii avem:

I_B = I_E (1 - ) - I_CB0

Daca vom deconecta circuitul emitorului (I_E = 0 si I_C = I_CB0), atunci vom avea:

-I_B  = I_CB0

In asa mod, prin contactul emitorului (circuitul emitor - baza) curge curentul de dirijare I_E (de intrare), prin contactul colectorului (circuitul colector - baza) - curentul de dirijare I_E (de iesire) si curentul invers al colectorului I_CB0, iar prin contactul bazei - diferenta curentului emitorului si colectorului.

In tranzistoarele reale curentii I_E si I_C si cresterile lor I_E si I_C sunt aproximativ egale dupa valori.

Coeficientii de transfer a curentilor. Modificarea curentului colectorului rezultata din modificarea curentului emitorului este conditionata numai de electroni. Insa, curentul total al emitorului este determinat atit de electroni cat si de goluri. Cu cat mai multi electroni (in comparatie cu numarul golurilor) trec prin jonctiunea emitorului si cu cat mai putini din acesti electroni se recombina in baza, neajungand la jonctiunea colectorului, cu atat mai bine tranzistorul transmite schimbarile curentului emitorului in circuitul colectorului.

Coeficientul static de transfer al emitorului poate fi determinat dupa formula:

Coeficientul static de transfer al curentului bazei poate fi determinat dupa formula:

Caracteristicile statice ale unui tranzistor bipolar sunt grafice ce reprezinta dependenta dintre curentii ce trec prin bornele tranzistorului si tensiunile ce se aplica la aceste borne.

Tranzistorului fiind un dispozitiv cu trei borne, in orice schema electrica el poate fi conectat in trei moduri diferite: conectare cu baza comuna (BC) (Fig. 2.3.a), conectare cu emitorul comun (EC) (Fig. 2.3.b) si cu colectorul comun (CC) (Fig. 3.3.c).

a - baza comuna;   b - emitor comun; c - colector comun

Fig. 2.3  Moduri fundamentale de conectare ale tranzistorului

Fiecare din schemele de conectare ale tranzistorului se caracterizeaza prin patru familii de caracteristici:

I_ies = f (U_ies) la I_in = const - caracteristici de iesire;

U_in = f (I_in) la U_ies = const - caracteristici de intrare;

I_ies = f (I_in) la U_ies = const - caracteristici de transfer a curentului;

U_in = f (U_ies) la I_in = const - caracteristici de reactie inversa dupa tensiune.

In cataloage de obicei sunt prezentate primele doua tipuri de caracteristici (de intrare si de iesire), caci sunt cele mai importante si utilizabile.

Indiferent de tipul tranzistorului, in planul caracteristicilor de iesire se disting trei regiuni de lucru :

- regiunea de saturatie care se afla in extremitatea stanga a caracteristicilor de iesire;

- regiunea de blocare care se afla sub caracteristica I_B = 0;

- regiunea activa normala de lucru care se afla intre cele doua regiuni de blocare si saturatie.

Asigurarea integritatii tranzistoarelor necesita considerarea unor limitari impuse marimilor ce le determina regimul de lucru. Valorile maxime absolute sunt valori care nu trebuie depasite in timpul functionarii montajului, deoarece se pot produce defectarea tranzistorului.

De regula in aceasta grupa apar:

tensiunile maxime intre terminale: V_CB0, V_CE0, V_EB0;

curentul maxim de collector si de baza: I_CM, I_BM;

puterea maxima disipata: P_tot;

temperature maxima a jonctiunii: T_jM.

O regula practica utila recomanda incarcarea tranzistorului la cel mult, 0,75 din valorile de catalog ale acestor parametri.

Tranzistoarele pot fi folosite in echipamentele electronice cu componente discrete, in amplificatoare de semnal (in domeniul audio, video, radio), amplificatoare de instrumentatie, oscilatoare, modulatoare si demodulatoare, filtre, surse de alimentare liniare sau in comutatie sau in circuite integrate, tehnologia de astazi permitand integrarea intr-o singura capsula a milioane de tranzistori.

Activitatea de invatare 2.1. Ridicarea caracteristicilor statice ale tranzistorului bipolar

Competenta: Identifica componentele electronice analogice

Verifica functionalitatea componentelor electronice analogice

Obiectivul/obiective vizate:

Dupa parcurgerea acestei activitati vei fi capabil sa:

colectezi datele numerice corespunzatoare activitatii planificate;

selectezi datele obtinute din masuratori sau alte surse;

inregistrezi datele;

ridici caracteristicile staticile ale unui tranzistor bipolar;

formulezi concluzii pe baza unei analize critice.

Durata: 50 min.

Tipul activitatii: experimentul

Sugestii: elevii se pot organiza in grupe de 3 - 4 elevi

Sarcina de lucru:

Reprezentati grafic caracteristicile de intrare si de iesire pentru un tranzistor bipolar.

Mod de lucru:

Ridicarea caracteristicilor de intrare ale tranzistorului in conexiune EC

• Realizati montajul din Fig. 1.

Fig. 1. Montaj pentru ridicarea caracteristicilor de intrare ale tranzistorului in conexiune EC

• Modificati curentul de baza I_B din sursa S si completati Tab. 1.

Tab. 1. Datele experimentale pentru caracteristicile de intrare

Ridicarea caracteristicilor de iesire ale tranzistorului in conexiune EC

• Realizati montajul din Fig. 2.

Fig. 2. Montaj pentru ridicarea caracteristicilor de iesire ale tranzistorului in conexiune EC

• Modificati curentul de baza I_B din sursa S , modificati tensiunea U_CE din sursa S₂ si completati Tab. 2.

Tab.2. Datele experimentale pentru caracteristicile de iesire ale tranzistorului in conexiune EC

Reprezentati grafic pe aceeasi foaie familia de caracteristici de intrare ale tranzistorului;

Reprezentati grafic pe aceeasi foaie familia de caracteristici de iesire ale tranzistorului.

Daca ati realizat cerinta, treceti la activitatea urmatoare, in caz contrar consultati fisa de documentare 2.1 si refaceti activitatea.