1. DISPOZITIVE ELECTRONICE ȘI CIRCUITE
Notiţe de curs
Cursul nr. 5
Conf. Dr. Ing. Gheorghe PANĂ

2. Tranzistorul bipolar (TB)
Probleme tratate
Tranzistorul bipolar (TB)
Introducere
Structura TB
Principiul de funcționare
Curenții prin TB
Moduri de lucru
TB ca amplificator
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

3. Tranzistorul bipolar Introducere
Descoperirea tranzistorului bipolar a deschis o eră nouă în electronică;
Decembrie 1947 – prima demonstrație de amplificare a vocii realizată cu tranzistor bipolar la Bell Laboratories;
Inventatorii TB: William Shockley, John Bardeen și Walter Brattain, laureaţi cu Premiul Nobel în 1956;
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

4. Tranzistorul bipolar Inventatorii TB John Bardeen
Walter Houser Brattain
William Bradford Shockley
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

5. Tranzistorul bipolar
Primul tranzistor cu contact punctiform realizat din Ge:
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

6. Tranzistorul bipolar
Primul tranzistor a fost realizat din germaniu și era cu contact punctiform la terminalele de emitor și colector;
1950 – se introduce tranzistorul cu joncțiuni la Texas Instruments iar mai târziu, 1958, Jack Kilby realizează primul circuit integrat (CI);
Dispozitivele bazate pe TB joacă un rol important, în special, în electronica analogică.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

7. Tranzistorul bipolar How Europe Missed The Transistor
The most important invention of the 20th century was conceived not just once, but twice
By Michael Riordan  /  November 2005
In late 1948, two physicists from the German radar program, Herbert Mataré and Heinrich Welker, claimed to have invented a strikingly similar semiconductor device, which they called the transistron, while working at a Westinghouse subsidiary in Paris.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

8. Tranzistorul bipolar Inventatorii “transistron-ului”
Herbert Mataré Heinrich Welker
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

9. Tranzistorul bipolar structura interna Tranzistorul comercial
produs la Westinghouse
structura interna
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

10. Tranzistorul bipolar
Tranzistorul se numeşte “bipolar” deoarece la conducţia curentului electric participă atât electroni (sarcină electrică negativă) cât şi goluri (sarcină electrică pozitivă).
Poate fi componentă de sine stătătoare sau poate face parte din circuite integrate care conţine zeci sau sute de TB.
Se foloseşte în amplificatoare, comutatoare, oscilatoare.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

11. Tranzistorul bipolar Structură TB are 3 regiuni dopate diferit:
2 zone de tip n separate de o regiune de tip p care alcătuiesc TB de tipul npn
2 zone de tip p separate de o regiune de tip n care alcătuiesc TB de tipul pnp
Conexiunile la cele 3 regiuni se numesc:
EMITOR
BAZĂ
COLECTOR
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

12. Tranzistorul bipolar Schema bloc simplificată și simbolurile TB
TB de tipul npn
TB de tipul pnp
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

13. Tranzistorul bipolar Observații importante:
Baza este mai îngustă decât regiunile de emitor și colector
Emitorul este foarte puternic dopat (n++ sau p++)
Baza este dopată mediu (p+ sau n+)
Colectorul este slab dopat (n sau p )
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

14. Tranzistorul bipolar Structură de TB din CI DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

15. Tranzistorul bipolar Principiul de funcționare
Tranzistoarele npn și pnp sunt dispozitive complementare.
Teoria se dezvoltă pentru TB npn, principiile de bază și relațiile fiind valabile și pentru TB pnp.
Concentrații tipice de dopare:
Emitor: 1019 cm-3
Bază: 1017 cm-3
Colector: 1015 cm-3
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

16. Tranzistorul bipolar Profil idealizat de dopare: DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

17. Tranzistorul bipolar Pentru manifestarea efectului de tranzistor:
joncțiunea bază-emitor se polarizează direct iar
joncțiunea bază-colector se polarizează invers.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

18. Tranzistorul bipolar Denumirea de tranzistor provine de la:
TRANsfer reSISTOR
și se referă la transferarea curentului dintr-un circuit cu rezistență mică – circuitul B-E, unde joncțiunea B-E este polarizată direct, într-un circuit cu rezistență mare – circuitul B-C, unde joncțiunea B-C este polarizată invers.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

19. Tranzistorul bipolar
Deplasarea purtătorilor de sarcină prin tranzistorul bipolar
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

20. Tranzistorul bipolar Funcţionarea TB (animaţie)
electronics.org/bipolar_junction_transistors_05.php
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

21. Tranzistorul bipolar Efecte primare:
Joncțiunea B-E fiind polarizată direct, electronii din emitor difuzează în bază prin regiunea de sarcină spațială B-E unde devin purtători minoritari de sarcină în exces. Concentrația lor depinde de tensiunea B-E. Deplasarea electronilor constituie o componentă a curentului de emitor (1).
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

22. Tranzistorul bipolar Efecte primare - continuare:
Joncțiunea B-C este polarizată invers și astfel concentrația electronilor minoritari la marginea joncțiunii B-C este, ideal, egală cu zero.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

23. Tranzistorul bipolar Efecte primare - continuare:
Gradientul concentrației de electroni este mare, astfel că purtătorii minoritari de sarcină difuzează prin regiunea bazei. Are loc, de asemenea, un proces de recombinare a unor electroni minoritari cu golurile majoritare din regiunea p a bazei.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

24. Tranzistorul bipolar Efecte primare - continuare:
Electronii difuzează prin bază în regiunea de sarcină spațială a joncțiunii B-C polarizată invers. Câmpul electric intens din regiunea de sarcină spațială B-C atrage electronii spre colector (2). Numărul de electroni din colector este o funcție de numărul de electroni injectați în bază.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

25. Tranzistorul bipolar Efecte primare - continuare:
Curentul de colector depinde de tensiunea B-E. Acțiunea tranzistorului constă în controlul curentului de la un terminal (colectorul) de către tensiunea dintre celelalte două terminale (baza şi emitorul).
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

26. Tranzistorul bipolar Efecte secundare:
Recombinarea în bază dintre electronii minoritari și golurile majoritare impune înlocuirea golurilor care s-au recombinat. Acest proces determină una din componentele curentului de bază (3).
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

27. Tranzistorul bipolar Efecte secundare - continuare:
Joncțiunea B-E fiind polarizată direct, golurile din bază difuzează în emitor prin regiunea de sarcină spațială B-E. Deoarece baza este mai slab dopată decât emitorul, numărul golurilor care difuzează din B în E este mai mic decât cel al electronilor care difuzează din E în B. Deplasarea acestor goluri este, de asemenea, o componentă a curentului de bază și a doua componentă a curentului de emitor (4).
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

28. Tranzistorul bipolar Efecte secundare - continuare:
Există, de asemenea, și un curent de polarizare inversă a joncțiunii B-C. În mod normal curentul invers al joncțiunii B-C este foarte mic.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

29. Tranzistorul bipolar
Obiectivul principal în funcționarea dispozitivului constă în maximizarea numărului de electroni atrași de colector comparativ cu numărul electronilor injectați de emitor în bază. De aceea recombinarea purtătorilor minoritari (electroni) cu cei majoritari (goluri) trebuie să fie menținută la minim.
Obiectivul poate fi atins dacă baza este mai îngustă decât lungimea de difuzie a purtătorilor minoritari în bază.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

30. Tranzistorul bipolar Curenții prin TB
Curentul de colector este un curent de difuzie și este controlat de tensiunea B-E:
IS = curent de saturatie a jonctiunii B-E
Dn = coeficient de difuzie a electronilor minoritari
ABE = aria transversală a joncțiunii B-E
xB = lățimea regiunii neutre a bazei
nB0 = concentrația electronilor din bază, la echilibru termic.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

31. Tranzistorul bipolar Curentul de emitor
unde prima componentă este datorată fluxului de electroni injectați de emitor în bază și, ideal, este egal cu cel de colector (IE1=IC). Este componenta notata cu 1;
a doua componentă se datorează golurilor din bază care se recombină cu electronii din emitor. Acest curent nu este componentă a curentului de colector. Este notata cu 4:
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

32. Tranzistorul bipolar Curentul total de emitor se scrie
Deoarece atât IC cât și IE depind de exp(vBE/VT), raportul dintre curentul de colector și cel de emitor este o constantă numită factor de amplificare în conexiune bază-comună.
Deoarece iC<iE rezultă α<1.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

33. Tranzistorul bipolar Curentul de bază
Curentul iE2 este și componentă a curentului de bază. Se noteaza iBa și depinde de exp(vBE/VT);
A doua componentă, iBb, se datorează sarcinilor pozitive care se deplasează în bază pentru a înlocui golurile majoritare care s-au recombinat cu electronii minoritari. Curentul este notat cu 3.
Numărul golurilor în unitatea de timp care se recombină în bază este direct proporțional cu numărul electronilor minoritari din bază. De aceea și această componentă depinde tot de exp(vBE/VT).
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

34. Tranzistorul bipolar
Curentul total de bază, iB=iBa+iBb, depinde de exp(vBE/VT)
Astfel, raportul dintre curentul de colector și cel de bază este o constantă
care se numește factor de amplificare în curent în conexiune emitor-comun.
De obicei curentul de bază este mult mai mic decât cel de colector și factorul β este mult supraunitar (100 sau mai mult).
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

35. Tranzistorul bipolar Observaţie:
TB fiind un dispozitiv cu 3 terminale iar circuitele în care se conectează având 4 terminale (2 de intrare, respectiv 2 de ieşire), un terminal al TB trebuie să fie comun atât intrării cât şi ieşirii.
Terminalul comun (care, pentru analiza în c.a., este legat la masa montajului) dă numele conexiunii:
Emitor comun, EC
Baza comuna – BC
Colector comun - CC
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

36. Tranzistorul bipolar Observatie - continuare:
SAU, exprimarea generală în care terminalul nenumit dă tipul conexiunii:
Emitor comun, EC – dacă semnalul se aplică în bază şi se culege din colector (EMITORUL este nenumit);
Baza comuna – BC – dacă semnalul se aplică în emitor şi se culege din colector (BAZA este nenumită);
Colector comun - CC – dacă semnalul se aplică în bază şi se culege din emitor (COLECTORUL este nenumit).
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

37. Tranzistorul bipolar Relația principală între curenții prin TB:
IE=IB+IC
TB poate fi privit ca un nod de circuit în care se poate aplica prima teoremă Kirchhoff.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

38. Tranzistorul bipolar Moduri de lucru
TB din figura anterioară poate fi polarizat în unul din cele 3 moduri de lucru:
Blocare
Regiunea activă normală (RAN)
Saturație
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

39. Tranzistorul bipolar BLOCARE RAN SATURAȚIE VBE0 VBE>0 VBC<0
Blocare: dacă VBE0, nu se injectează electroni din emitor în bază. Joncțiunea B-C este și ea polarizată invers, astfel încât atât curentul de colector cât și cel de emitor vor fi egali cu zero.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

40. Tranzistorul bipolar Regiunea activă normală (RAN)
În acest mod de lucru există curent prin TB. Aplicând a II-a teoremă Kirchhoff, rezultă:
Dacă tensiunea VCC este suficient de mare iar tensiunea VR suficient de mică, se obține VCB>0, ceea ce înseamnă că joncțiunea B-C este polarizată invers, așa cum cere acest mod de lucru.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

41. Tranzistorul bipolar
Odată cu creșterea tensiunii VBE, creşte IB şi cresc curentul IC și tensiunea VR;
Dar la creșterea tensiunii VR corespunde scăderea tensiunii VCB;
Pentru o anumită valoare a lui IC, tensiunea VCB devine egală cu zero.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

42. Tranzistorul bipolar
O creștere ușoară a curentului IC dincolo de această valoare determină tensiunea VCB să devină negativă (VCB<0).
Situația corespunde modului de lucru numit saturație.
La saturaţie ambele joncțiuni sunt polarizate direct iar curentul de colector NU mai este controlat de tensiunea B-E.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

43. Tranzistorul bipolar
Caracteristicile iC=f(vCE) pentru TB în conexiunea emitor-comun (EC) au forma:
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

44. Tranzistorul bipolar
Relația dedusă pe ochiul de ieșire al circuitului realizat cu TB se poate scrie și sub forma:
și pune în evidență o relație liniară între curentul de colector și tensiunea C-E.
Această relație liniară definește, în planul iC=f(vCE), dreapta de sarcină.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

45. Tranzistorul bipolar
Pe dreapta de sarcină pot fi definite cele 3 moduri de lucru:
Blocarea se instalează când IC=0 (tranzistorul nu este parcurs de curent);
Pentru 0<IC<IC,sat tranzistorul lucrează în RAN și este valabilă relația IC=βIB;
Când nu mai au loc modificări ale lui IC înseamnă că TB este în modul de saturație.
Al 4-lea mod de lucru nu se evidențiază pe figură. El se numește activ inversat.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

46. Tranzistorul bipolar
Modul inversat apare atunci când joncțiunea B-E este polarizată invers iar joncțiunea B-C este polarizată direct.
Se inversează rolurile terminalelor TB: emitorul inițial joacă rol de colector iar colectorul inițial - rol de emitor.
Tranzistorul nefiind simetric, caracteristicile tranzistorului inversat sunt diferite de cele ale tranzistorului normal. La saturaţie, tranzistorul inversat prezintă tensiune mică între noul colector şi noul emitor.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

47. Tranzistorul bipolar
Condițiile tensiunilor de pe joncțiuni pentru cele 4 moduri de lucru ale TB:
jE polarizata direct
jC polarizata invers
jC polarizata direct
jE polarizata invers
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

48. Tranzistorul bipolar TB ca amplificator
TB amplifică tensiuni și curenți.
Circuitul cu 2 surse de polarizare, VBB și VCC din figură conține și sursa de semnal (sinusoidal, de obicei) – vi, care este o sursă de tensiune cu variație în timp.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

49. Tranzistorul bipolar
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

50. Tranzistorul bipolar Simulare SPICE: circuitul DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

51. Tranzistorul bipolar
Simulare SPICE: tensiunea variabila de intrare V(n2,n1)
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

52. Tranzistorul bipolar
Simulare SPICE: curentii de colector IC(Q1) si de baza IB(Q1)
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

53. Tranzistorul bipolar
Simulare SPICE: tensiunea CE, V(n4) si tensiunea VR, V(n5,n4)
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

54. Tranzistorul bipolar
Tensiunea sinusoidală de la intrare, vi determină o componentă sinusoidală a curentului de bază suprapusă pe componenta continuă din repaus, IBQ.
Deoarece iC=βiB apare o componentă sinusoidală a curentului de colector, mai mare decât cea a curentului de bază. Componenta sinusoidală a curentului de colector se modifică în jurul valorii de repaus ICQ.
Datorită curentului de colector variabil, pe rezistorul RC apare o cădere de tensiune variabilă (sinusoidală).
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

55. Tranzistorul bipolar
Aplicând teorema a II-a Kirchhoff rezultă că şi tensiunea C-E are suprapusă pe componenta de c.c. (VCEQ) o componentă sinusoidală.
Amplitudinea semnalului sinusoidal C-E este mai mare decât cea a semnalului de intrare vi astfel încât circuitul realizează o amplificare.
Semnalul de ieşire este în antifază faţă de cel de intrare, ceea ce va determina, algebric, semnul minus în relaţia amplificării în tensiune.
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

56. Tranzistorul bipolar Simulare SPICE verde – tensiunea vbe
roşu – tensiunea vce
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

57. Tranzistorul bipolar Simulare SPICE: semnalul baza-emitor
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

58. Tranzistorul bipolar Simulare SPICE: semnalul colector-emitor
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018

59. Tranzistorul bipolar Amplificarea în modul:
Semnalele de ieşire şi intrare fiind în antifază, rezultă:
DEC-I Cursul nr. 5
11/10/2018