Bipolarni tranzistor

Bipolarni tranzistor je elektronska komponenta sa pojačavačkim i prekidačkim osobinama, vrsta tranzistora. Ovaj uređaj je aktivna komponenta sa tri izvoda, a napravljen je od dopiranog poluprovodnog materijala, može da pojača ili prekida električne signale kola. Bipolarni tranzistori su dobili svoje ime zato što su glavni nosioci naelektrisanja i elektroni i šupljine, za razliku od unipolarnih (tranzistora sa efektom polja) kod koga su nosioci naelektrisanja elektroni ili šupljine.

Istorija i današnja primena

Presek KSY34 NPN tranzistora za visoke učestanosti.

Bipolarni tranzistori su prvi put napravljeni u Belovim laboratorijama i tridesetak godina su bili najbolje komponente za pravljenje diskretnih ili integrisanih kola. Danas, upotreba bipolarnih tranzistora je potisnuta u korist CMOS tehnologije u dizajnu integrisanih kola. Ipak, bipolarni tranzistori ostaju uređaj koji je bolji u nekim kolima, kao što su diskretna kola, zbog velikog izbora tipova bipolarnih tranzistora i znanja o njihovim karakteristikama. Oni su takođe koriste za analogna kola, bilo diskretna ili integrisana. Ovo se posebno odnosi na primene na visokim učestanostima, kao što su kola na radio-učestanostima za bežične mreže. Bipolarni tranzistori se mogu kombinovati sa MOSFET tranzistorima u integrisano kolo koristeći BiCMOS proces da se dobije novo kolo koje će uzeti najbolje karakteristike oba tipa tranzistora.

Struktura

NPN tranzistor sa direktno polarisanim spojem baza-emiter i inverzno polarisanim spojem baza-kolektor

Bipolarni tranzistor se sastoji iz tri različito dopiranih poluprovodničkih delova: emiterskog, baznog i kolektorskog. Ovi deli su, redom, P tipa, N tipa i P tipa u PNP tranzistorima i N tipa, P tipa i N tipa u NPN. Svaki poluprovodni deo je priključen na izvod, propisno označen: emiter (E), baza (B) i kolektor(C).

Baza je fizički smeštena između emitera i kolektora i napravljena je od slabo dopiranog, visokootpornog materijala. Kolektor okružuje emiterski deo i skoro onemogućava da elektroni ili šupljine injektovani u bazu izbegnu da budu skupljeni, čineći tako da rezultantna vrednost odnosa struja emitera i kolektora $\alpha \,$ bude vrlo blizu jedinici i tako dajući tranzistoru veliko strujno pojačanje $\beta \,$. Poprečni presek kroz bipolarni tranzistor pokazuje da je spoj kolektor-baza veći od spoja emiter-baza.

Bipolarni tranzistor, za razliku od ostalih tranzistora, nije simetričan uređaj. Ovo znači da zamena između kolektora i emitera dovodi da tranzistor počinje da radi u inverznom režimu. Zbog toga što je unutrašnja struktura tranzistora obično optimizovana za rad u direktnom režimu, zamena emitera i kolektora čini vrednosti $\alpha \,$ i $\beta \,$ manjim u inverznom režimu nego u direktnom režimu. Obično, $\alpha \,$ u inverzom modu je manje od 0,5.

Male promene u naponu priključenim na spoj emiter-baza izaziva da se struja koja teče između kolektora i emitera značajno promeni. Ovaj efekat se može koristiti da se poveća ulazna struja. Bipolarni tranzistori se mogu smatrati kao naponki kontrolisanim strujnim izvorima, ali se obično karakterišu kao strujni pojačavači zbog male impedanse u bazi. Prvi tranzistori su bili napravljeni od germanijuma, ali su moderni bipolarni trantistori napravljeni od silicijuma.

Osetljivost tranzistora

Izlaganje tranzistora jonizujućem zračenju izaziva razaranje zbog radijacije. Radijacija izaziva nastanak defekata u bazi koji se ponašaju kao centri za rekombinaciju. Ovo izaziva postepeni pad funkcionalnog rada tranzistora.

Osnove rada bipolarnih tranzistora

Vezivanje u kolu

Bipolarni tranzistor se može posmatrati kao dve diode povezne anoda na anodu. U normalnom radu, spoj emiter-baza je direktno polarisan, a spoj baza-kolektor je inverzno polarisan. Na primeru NPN tranzistora, kada je pozitivan napon doveden na spoje baza-emiter, ravnoteža između termički stvorenih nosioca i odbojnog električnog polja zone prostornog naelektrisanja postaje narušena, dozvoljavajući termički pobuđenim elektronima da se injektuju u bazu. Ovi elektroni se kreću (difunduju) kroz bazu od dela visoke koncentracije blizu emitera prema delu manje koncentracije blizu kolektora. Ovi elektroni u bazi se zovu manjinski nosioci jer je baza pozitivno dotirana što čini šupljine većinskim nosiocima u bazi (ovo se ne bi trebalo shvatiti da je broj injektovanih elektrona mali). Ključna osobina dizajna bipolarnih tranzistora je da se baza napravi vrlo tanka tako da elektroni provode malo vremena u bazi; većina elektrona se difunduje do kolektora pre nego što se rekombinuju sa šupljinama u bazi. Spoj baza-kolektor je inverzno polarisan tako da se ne vrši injektovanje elektrona iz kolektora u bazu, ali elektroni koji se difundiju iz baze prema kolektoru su ubačeni u kolektor posredstvom električnog polja u zoni prostornog naelektrisanja spoja baza-kolektor. Odnos elektrona koji mogu da prođu kroz bazu i stignu do kolektora je mera efikasnosti bipolarnih tranzistora. Visko dopiran emiterski region i slabo dopiran bazni region izaziva da mnogo više elektrona pređe iz emitera u bazu nego šupljina iz baze u emiter. Struja baze je suma šupljina ubačenih u emiter i elektrona koji se rekombinuju u bazi – obe su u maloj srazmeri u odnosu na struje emitera i kolektora. Otuda mala promena struje baze može da utiče na veliku promenu toka elektrona između emitera i kolektora. Odnos ovih struja I_c/I_b se naziva strujno pojačanje i označava se sa $\beta \,$ ili h_fe i obično je 100 ili više.

Tranzistori u kolima

Simbol NPN tranzistora

Simbol PNP tranzistora

Gornja slika je šematski prikaz NPN tranzistora priključenog na dva izvora napona. Da bi tranzistor provodio osetljivu struju (reda miliampera) od kolektora do emitera, $V_{BE}$ mora biti jednak ili malo veći od napona praga. Napon praga je obično između 0,6 i 0,7 V za silicijumske NPN tranzistore. Ovaj dovedeni napon izaziva da se na donjem P-N spoju dozvoli protok elektrona iz emitera u bazu. Zbog električnog polja koje postoji između baze i kolektora (koje je izazvao $V_{CE}$), većina tih elektrona prelazi preko gornjeg P-N spoja u kolektor čineći struju kolektora $I_{C}$. Drugi deo elektrona se rekombinuje, dok se ostatak elektrona izlazi baze i čini struju baze $I_{B}$. Kako je pokazano na slici, struja emitera $I_{E}$ je ukupna struja tranzistora koje je suma druge dve struje. To je:

$I_{E}=I_{B}+I_{C}\,$

(Nota: na ovoj slici strelice prikazuju smer struje koji je je saglasan sa konvencionalnim smerom struje - tok elektrona je suprotan smeru strelica pošto elektroni nose negativno naelektrisanje). Odnos struje kolektora i struje baze se naziva strujno pojačanje. Ovo pojačanje je obično vrlo veliko i često je 100 ili više. Trebalo bi i napomenuti da je struja baze u eksponencijalnoj zavisnosti od $V_{\mathrm {BE} }$. Za tipičan tranzistor, povećanje $V_{\mathrm {BE} }$ od samo 60 mV povećava struju baze 10 puta.

Tranzistori imaju različite režime rada. U linearnom režimu, struja kolektora (emitera) je približno proporcionalna struji baze, ali nekoliko puta veća, čineći ovo idealnim modelom za pojačanje struje. Bipolarni tranzistor ulazi u zasićenje kada se struja baze poveća do tačke kada spoljašnje kolo sprečava struju kolektora da dalje raste. U toj tački, spoj baza-kolektor postaje takođe direktno polarisan. Zaostali napon opada 100 do 300 mV (u zavisnosti od količine bazne struje).

Znatno ređe, bipolarni tranzistori rada sa zamenjenim kolektorom i emiterem, tako da struja baza-kolektor može da kontroliše struju emiter-kolektor. Pojačanje struje u ovom režimu je mnogo manje (na primer 2 umesto 100).

Tranzistor radi u režimu zakočenja kada je napon baza-kolektor premali da bi proticala neka značajnija struja. Za tipični silicijumski tranzistor, to je za slučaj kada je napon manji od 0,7 V. Bipolarni tranzisto koji radi samo u režimimi zakočenja i zasićenja se može posmatrati kao elektronski prekidač.

Primena

Zbog svoje temperaturne osetljivosti, bipolarni tranzistor se može koristiti za merenje temperature. Njegova nelinearna karakteristika se takođe može iskoristiti da računa logaritme. Germanijumski tranzistori su bili često korišćeni pedesetih i šezdesetih, i iako poseduju manji napon praga, što ih čini podesnijim za neke primene, takođe ima veliku sklonost prema termalnom proboju.

Teorija i modelovanje

Ebers-Molov model

Struje emitora i kolektora su normalnom radu date Ebers-Molovim modelom:

Ebers-Molov model za NPN tranzistor

Ebers-Molov model za PNP tranzistor

$I_{\mathrm {E} }=I_{\mathrm {ES} }(e^{\frac {V_{\mathrm {BE} }}{V_{\mathrm {T} }}}-1)$

$I_{\mathrm {C} }=\alpha _{F}I_{\mathrm {ES} }(e^{\frac {V_{\mathrm {BE} }}{V_{\mathrm {T} }}}-1)$

Struja baze uglavnom nastaje zbog difuzije

$J_{p}(Base)={\frac {qD_{p}p_{bo}}{W}}\left[exp\left({\frac {V_{EB}}{V_{T}}}\right)\right]$

Gde je

• $I_{\mathrm {E} }$ - struja emitera
• $I_{\mathrm {C} }$ - struja kolektora
• $\alpha _{F}$ - faktor strujnog pojačanja od emitera do kolektora (0.98 do 0.998)
• $I_{\mathrm {ES} }$ - inverzna struja zasićenja spoja baza-emiter (u rasponu od 10⁻¹⁵ do 10⁻¹² ampera)
• $V_{\mathrm {T} }$ - je termički napon (približno 26mV na sobnoj temperaturi ≈ 300 K).
• $V_{\mathrm {BE} }$ napon baza-emiter
• W širina baze

Struja kolektora je neznatno manja od struje emitera, pošto je vrednost $\alpha _{F}$ vrlo bliska 1.0. U bipolarnim tranzistorima mala struja kroz bazu izaziva veliku struju u kolektoru. Odnos dozvoljene kolektorske struje i bazne struje se zove „strujno pojačanje“, β ili $h_{\mathrm {FE} }$. A β vrednost 100 je tipična vrednost za male bipolarne tranzistore. U tipičnoj konfiguraciji, vrlo mala signalna struja teče kroz spoj baza-emiter zbog kontrolisanja kolektorske struje. β je povezano sa α preko sledećih jednačina:

$\alpha _{F}={\frac {I_{\mathrm {C} }}{I_{\mathrm {E} }}}$

$\beta _{F}={\frac {I_{\mathrm {C} }}{I_{\mathrm {B} }}}$

$\beta _{F}={\frac {\alpha _{F}}{1-\alpha _{F}}}$

Efikasnost emitera: $\eta ={\frac {J_{p}(Base)}{J_{E}}}$

Još jedan skup jednačina se koristi da se opišu tri struje u bilo kom radnom delu je dat dole. Ove formule su zasnovane na prenosnom modelu bipolarnog tranzistora.

$i_{\mathrm {C} }=I_{\mathrm {S} }(e^{\frac {V_{\mathrm {BE} }}{V_{\mathrm {T} }}}-e^{\frac {V_{\mathrm {BC} }}{V_{\mathrm {T} }}})-{\frac {I_{\mathrm {S} }}{\beta _{\mathrm {R} }}}(e^{\frac {V_{\mathrm {BC} }}{V_{\mathrm {T} }}}-1)$

$i_{\mathrm {B} }={\frac {I_{\mathrm {S} }}{\beta _{\mathrm {F} }}}(e^{\frac {V_{\mathrm {BC} }}{V_{\mathrm {T} }}}-1)+{\frac {I_{\mathrm {S} }}{\beta _{\mathrm {R} }}}(e^{\frac {V_{\mathrm {BE} }}{V_{\mathrm {T} }}}-1)$

$i_{\mathrm {E} }=I_{\mathrm {S} }(e^{\frac {V_{\mathrm {BE} }}{V_{\mathrm {T} }}}-e^{\frac {V_{\mathrm {BC} }}{V_{\mathrm {T} }}})+{\frac {I_{\mathrm {S} }}{\beta _{\mathrm {F} }}}(e^{\frac {V_{\mathrm {BE} }}{V_{\mathrm {T} }}}-1)$

Gde je

• $i_{\mathrm {C} }$ - kolektorska struja
• $i_{\mathrm {B} }$ - bazna struja
• $i_{\mathrm {E} }$ - struja emitera
• $\beta _{\mathrm {F} }$ pojačanje emiterske struje u direktnoj polarizaciji (20 do 50)
• $\beta _{\mathrm {R} }$ pojačanje emiterske struje u inverznoj polarizaciji (0 do 20)
• $I_{\mathrm {S} }$ - inverzna struja zasićenja (u rasponu od 10⁻¹⁵ do 10⁻¹² ampera)
• $V_{\mathrm {T} }$ - je termički napon (približno 26mV na sobnoj temperaturi ≈ 300 K).
• $V_{\mathrm {BE} }$ - napon baza-emiter
• $V_{\mathrm {BC} }$ - napon baza-kolektor

Promena širine baze

Ako dovedeni napon baza-kolektor ($V_{BC}$) varira, širina zone prostornog naelektrisanja između baze i kolektora se menja. Ova promena izaziva da se promeni pojačanje tranzistora, pošto pojačanje zavisi od širine baze. Ovo se često naziva Erlijev efekat.

U direktnom režimu Erlijev efekat utuče na struju kolektora ($i_{\mathrm {C} }$) i pojačanje emiterske struje u direktnoj polarizaciji ($\beta _{\mathrm {F} }$) prema sledećim jednačinama:

$i_{\mathrm {C} }=I_{\mathrm {S} }(e^{\frac {V_{\mathrm {BE} }}{V_{\mathrm {T} }}})(1+{\frac {V_{\mathrm {CE} }}{V_{\mathrm {A} }}})$

$\beta _{\mathrm {F} }=\beta _{\mathrm {F0} }(1+{\frac {V_{\mathrm {CE} }}{V_{\mathrm {A} }}})$

Gde je

• $V_{\mathrm {CE} }$ - napon kolektor-emiter
• $V_{\mathrm {A} }$ - Ejrijev napon (15 V do 150 V)
• $\beta _{\mathrm {F0} }$ pojačanje emiterske struje na nultom prednaponu

Proboj

Kada napon baza-kolektor dostigne određenu (u zavisnosti od tranzistora) vrednost, granica zone prostornog naelektrisanja spoja baza-kolektor se spoji sa granicom zone prostornog naelektrisanja spoja baza-emiter. Kada je u ovom stanju, tranzistor nema bazu. Tranzistor onda izgubi sve pojačanje kada je u ovom stanju.

Model sa h -parametrima

Uobičajen model NPN tranzistora sa h-parametrima.
zameniti x sa e, b ili c u zavisnosti da li se radi o CE, CB ili CC toplogijama.

Drugi model koji se često koristi u analizi kola sa bipolarnim tranzistorima je model sa h-parametrima. Ovaj model je dvopristupna mreža izuzetno pogodna za bipolarne tranzistore pošto pruža laku analizu ponašanja kola, a može se koristiti da se dobiju još precizniji modeli. Na slici „x“ predstavlja bazu, kolektor ili emiter u zavisnosti od topologije koju koristimo (stepeni sa zajedničkim emiterom, bazom ili kolektorom). Za najčešće korišćen stepen sa zajedničkim emiterom, simboli sa slike uzimaju sledeće vrednosti:

• U ovoj topologiji x je 'e' (označava emiter)
• Priključak 1 = baza
• Priključak 2 = kolektor
• Priključak 3 = emiter
• i_in = struja baze (i_b)
• i_o = struja kolektora (i_c)
• V_in = napon baza-emiter (V_BE)
• V_o = napon kolektor-emiter (V_CE)

a h-parametri predstavljeni sa:

• h_ix = h_ie - ulazna impedansa tranzistora (odgovara otpornosti emitera r_e).
• h_rx = h_re - zavisnost krive I_B-V_BE od vrednosti V_CE. Ona je obično vrlo mala i često se zanemrauje.
• h_fx = h_fe - Strujno pojačanje tranzistora. Ovaj parametar se često navodi kao h_FE ili parametar (β_DC) u specifikacijama.
• h_ox = h_oe - Izlazna impedansa tranzistora. Ovaj parametar se najčešće navodi kao admitansa, recipročna vrednost impedanse.

Malim slovima su označeni indeksi h-parametara pri AC, velikim pri DC analizi. Model ove topologije pri analizi kola može biti dodatno uprošćen, tako što se neki od parametara ignorišu (h_oe i h_re), uzimaju se kao vrednosti nula (kratka spoj) i beskonačno (prekid kola). Treba još primetiti da se ovaj model isto tako može primeniti pri analizi kola sa signalima niskih frekvencija, i kola sa malim signalima. Pri analizi rada kola sa signalima velikih frekvencija ovaj model se ne koristi, s`obzirom da se kod h-parametara radi o parametrima tipa otpornosti i provodnosti, a pri ovoj analizi je potrebno koristiti i parametre kapacitivnosti koji imaju dominantan efekat pri visokim frekvencijama.

Vidi još

• Tranzistor sa efektom polja
• Tiristor
• Dioda

Spoljašnje veze

• Lessons In Electric Circuits - Bipolar Junction Transistors (Note: this site shows current as a flow of electrons, rather than the convention of showing it as a flow of holes, so the arrows may appear the other way around)
• Characteristic curves
• The transistor at play-hookey.com
• How Do Transistors Work? by William Beaty
• www.brookdale.cc.nj.us/fac/engtech/aandersen/engi242/bjt_models.pdf
• TRANSISTOR MUSEUM™ Historic Transistor Timeline Arhivirano na sajtu Wayback Machine (29. decembar 2014)