P N PP N PEE CC

Bipolární tranzistorwN << Ln , Lp

wB = wef

-xE wBxC0

IB2IEn

ICp

IC0p

IC0n

UEB

IE IC

IB

čtyřpól, spotřebič

UCB

Vzdálenost

mezi PN E , C

wN << Ln , Lp

jinak dvě

„samostatné“

diody

IE = IEp + IEn

IC = - (ICp + IC0p + IC0n)

IB = - (IE + IC)

Difúze , “malá” rekombinaceNormální režim Inverzní režim

IB, IC, IE = f(UEB, UCB) - idealiz. model1) NA, ND v E, B, C - homogenní2) strmé PN3) hranice mezi OPN emit. a bází strmá4) dtto pro kolektorovou str. 3) a 4) wef

5) délka emitoru a kolektoru > Lp (Ln)6) SC a SE - stejná (standard SC >> SE 1 )

IB1IEp

jednorozměrný model f(x) A) E pouze v OPN přechodů B) generace a rekombinace - mimo OPN C) wef = wB = konst. f(UCB) vstřik nosičů náboje emitorem - nízký (není přídavné pole v bázi)

Bipolární tranzistor

UEB - propustné, UCB - závěrnéICOp, ICOn -ICO- závěrný proud kolektoruIEp - vstřik do báze IEn - vstřik do emitoruIEp - většina do kolektoru difúzí - ICp

zbytek rekombinace v B => IB

IE = IEp + IEn

IC = - (ICOp + ICOn + ICp)IB = - (IE + IC)

ICp= f(UEB) => řízení IC

IEp = SEJEp = -SE eDp (d(ΔpnB(x))/dx)|x=0

IE = a11 [exp(UEB/uT)-1] - a12 [exp(UCB/uT)-1]

IC = -a21 [exp(UEB/uT)-1] + a22 [exp(UCB/uT)-1]

a11 = eSEDnnpOE/Ln + eSEDppnOB/wB (= IEBS)

a12 = eSEDppnOB/wB (= ICBS . αR)

a21 = eSCDppnOB/wB (= IEBS . αF)

a22 = eSCDppnOB/wB + eSCDnnpOC/Ln (= ICBS)

Bipolární tranzistor

je-li symetrie SE = SC , x-model = > a12 = a21

“konstanty” = f(konstrukce, materiál)SB, normální režim, UEB > 0 , UCB = 0 , aktivní režimIE = a11 [exp(UEB/uT)-1] IC = -a21 [exp(UEB/uT)-1] zesil. čin. = IC / IE |UCB=0 = -a21 / a11 = - αF

1 > αF > 0 ! typicky 0,99

Bipolární tranzistor

SB, inverzní režim, UEB = 0 , UCB > 0 , aktivní režimobdobný postup, jiné aij

zesil. čin. = IE / IC |UEB=0 = - αR

1 > αR > 0 ! typicky 0,5-0,8 (reálné)

pro UCB nenulové, zápornéIE = a11 [exp(UEB/uT)-1] - a12 [exp(UCB/uT)-1]IC =-a21 [exp(UEB/uT)-1] +a22 [exp(UCB/uT)-1]IE = a11 [exp(UEB/uT)-1] + a12

IC =-a21 [exp(UEB/uT)-1] - a22

IC = f(IE)IC = - a21. IE/ a11 - (a11 a22 - a12 a21)/ a11=IC = - αF . IE - ICBO

ICBO ... zbytkový proud při nezapoj. emitoru

Bipolární tranzistorPodobně - inverzní aktivní režimIE = - αR . IC - IEBO IEBO... zbyt. proud při nezapoj. kolektoru

αF . IEBO = ICBO . αR

a11 = IEBO /(1 - αF αR)a12 = ICBO αR /(1 - αF αR)a21 = IEBO αF /(1 - αF αR)a22 = ICBO /(1 - αF αR)Chování vnitřního tranzistoru !Zkrat CB , UCB = 0 , UEB < 0zbytkový proud emitor báze IEBS

IE|UCB=0 = - IEBO /(1 - αF αR) = - IEBS

Obdobně pro ICBS , podmínky obráceněICBS = - ICBO /(1 - αF αR)

pakIS = IEBS αF = ICBS αR

IE = IS / αF . [”UEB”] - IS . [”UCB”] (5.20)IC = - IS . [”UEB”] + IS / αR . [”UCB”]IS ... Current scale factor

uměrný ploše přechodu !! (1:3)

Bipolární tranzistor

Výsledné rovniceVýsledné rovnice

Vztahy mezi zbytkovými proudyIE|UCB=0 = - IEBS = - IEBO /(1 - αF αR)IC|UEB=0 = ICBS = - ICBO /(1 - αF αR)

IS = IEBS αF = ICBS αR

IEBO αF = ICBO αR

Indexy 0 ... nezapojená třetí elektroda S ... zkratovaná - „ -

I E [m

A]

20

UEB [V]

0,6

Vstupní charakteristika SB Normální režimIE = IS / αF . [”UEB”] - IS [”UCB”]! UCB < 0IE = IEBS . [exp(UEB/uT) - 1] - ICBS . αR . [exp(UCB/uT) - 1]IE = IEBS . [”UEB”] - ICBS . αR

je 0 pro UCB=0

přičítání

Bipolární tranzistor

UCB= 0UCB < 0

- 10 V

UCB < 0

- 4 V

Kolektorové napětí způsobuje odsávání emitorem vstříknutých nosičů náboje z prostoru báze zvýšení IE IE

P N P

I C [m

A]

-25

UCB [V]

-10 -20

Bipolární tranzistor

Výstupní charakteristika SB Normální režimIC = - αF . IE – ICBO (5.12) ICUCB=O = PLNÁ hodnota už od UCB = 0IC f (UCB) téměř (reálně wef = f(UCB) )

IE

+0,8

20mA

15

5

0

UCB = 0

IE IC

UEB

P N P

UCB > 0

IE IC

UEB

10

P N P

E B CE B C

Obecný příklad označení orientace veličin Charakteristiky tranzistorů, diod - zásadně zobrazovány ve spotřebičové orientaci !

Emitorový přechod v normálním režimu - propustný

Kolektorový přech. v normálním režimu - závěrný

UCB

IE IC

UEB

„Čtyřpólové“ - spotřebičové orientace

+

-

+

-

UEB UCB

IE IC

Orientace zdrojů správně polarizující přechody tranzistoru v normálním režimu

IE = IE

UEB = UEB

IC = - IC

UCB = - UCB

I E [m

A]

20

UEB [V]

0,6

UCB= 0

UCB < 0

- 4 V

UCB

Bipolární tranzistor

EB´E´

B

CC´

II IN

IN /F II/I

R = IF = N

REE´

RBE RBC

RCC´

RBB´

Ebers-Mollův náhradní obvod BJTEbers-Mollův náhradní obvod BJT

IR = II IF = IN

B

UEBUCB

IEIC

„Pozor“ na definici IR ...

SměrSměr

ovládáníovládání

- přenos- přenos

E´B´C´ vnitřní tranzistorE´B´C´ vnitřní tranzistor

IE = IEp + IEn p = IEp / IE IEp = p IE (co se dostane do báze)IC = IC1 (vstřik) + IC0 (klidový) = αB IE + IC0

IC1 = IEp . p = IE . p . p (to co se dostane do kolektoru)IC1 = αB . IE = αp . IE

αB = αp = p . p . () (PNP) = αn = n . n . () (NPN) (standard SC >> SE => 1 )

Bipolární tranzistor

P N P

-UCB

IE IC

UEB IB

IC = αB IE + IC0

... bázový přenosový činitel ... injekční účinnost ... účinnost kolektroru

αB = funkce (, , )

IEpIEp p Postupu událostí

vstřik, přenos, sběrαB = f (, , )

UCE

NN

NN

PP

Vstupní charakteristiky SE Normální režim - IB = IE + IC součet rovnic (5.20) IB = IEBS (1 - αF) [exp(UEB/uT)-1] + ICBS . (1 - αR) . [exp(UCB/uT)-1] UBE = - UEB UCE = UCB - UEB << 0 IB = f(UBE) = IEBS . (1- αF) [exp(UEB/uT) -1] - ICBS . (1- αR) . [1]

UEB (IB=0) = UT. ln{1 + ICBS . (1 - αR)/IEBS (1 - αF)} téměř f(UCE )

Bipolární tranzistor

NPN znaménka a orientace obráceně

I B [

A]

-20

UBE [V]

-0,6

UCE= 0|U

CE| >

>| U

CE

SA

T|

- 4

V

PNPUBE

IC

UB

E=

0

- IB

Výstupní charakteristiky SE Normální režim UCE = UCB - UEB

IE = IC + IB

αE = IC / IB P0, UCE = konst. někdy F

d IC = αE . d IB / integrace 1) IC = αE . IB + K´ 2) IC = αB . IE + ICBO / . (1/αB) (SB) ICBO ... zbytkový proud při nezapojeném emitoru upravíme 2) tak aby vypadala jako 1) IC/αB - ICBO/αB = IE = IC + IB

-IB - ICBO/αB = IC - IC/αB = IC (αB - 1)/ αB

IC = IB . αB/(1 - αB) + ICBO/(1 - αB) (1 + αB/(1 - αB))

Zavedeme: αE = αB/(1 - αB)

IC = IB . αE + ICBO . (1 + αE) = αE . IB + ICEO

Bipolární tranzistor

Bipolární tranzistor

UCE(V)

IC

(mA)

IB

PCmaxOblast saturaceMez saturace

Mezní přímka Hyperboly konst. výkonu

IC10-9A

10

20

20

30

40 A

8

IB=05

Bipolární tranzistor

UCE

IC

Mezní přímka

Inverzní režim

Normální režim

IBJiný odstup charakteristik

=

jiné H21E resp. h21e

Bipolární tranzistor

UCE

IC

IB

Rozdíl H21E resp. h21e resp. h21e

P0 IBIC

IC = h21e IB + h22e UCE

IC = IC/ IB.IB + IC/UCE.UCE

IB

IIB2B2

IIB1B1

IIB2B2IIB1B1

PPOO

IB

h21e = IC / IB Po,UCE=O

UCE = k.

h21e = IC / IB Po,UCE=konst

h21e = tečna k převodní charakteristice

HH21E21E = IICC // IIBB Po

HH21E21E = IICCPo // IIBBPo - sečna

!h21e = pro konkrétní zapojení

Bipolární tranzistor

UCB

IC

h21e = f (IC, UCB, j)

h21e

logNA- ND

pro lin. zesil.

spínací

p

CBef

L

)U(wcosh

1β

E B C x

N-

N+

P

N+

E

wef

αB = funkce (, , )

j

IC

h21e

Bipolární tranzistor

UCB

UCE

h21e = f (IC, UCB , j)

IC

logNA- ND

E B C x

N-

N+

P

N+

E

wefIC

h21e

Earlyho napětíEarlyho napětí

p

CBef

L

)U(wcosh

1β

IB

h21e = IC / IB Po,UCE=k.

IC

UCE1 UCE2

IB = k.

Bipolární tranzistor

j

UCE

h21e = f (IC, UCB , j)

IC

IC

h21e

p

CBef

L

)U(wcosh

1β

IB

j

IIC0C0=f(=f(j))

UBE

j

IB

UCE

Bipolární tranzistor

Oblast vysokých IC

UCE

h21e = f (IC, UCB , j)

IC

logNA- ND

E B C x

N-

N+

P

N+

E

wef IC

h21e

p

Cef

L

)I(wcosh

1β

IB

h21e = IC / IB Po,UCE=k.

UCE1 UCE2

IB = k.UCE

KvazisaturaceKvazisaturaceKirkův jevKirkův jev

Bipolární tranzistor - NLO - s h parametry

UCE

IC

IB

P0

IC = h21e IB + h22e UCE

IB

PPOO

h11e = UBE / IB Po, UCE=k

h21e = IC / IB Po,UCE=k

UBE = h11e IB + h22e UCE

h12e = UBE / UCE Po, IB=k

UBE

UCE >> UCESAT

UCE

UCE=0

UCE =kh11e

IB =k

UC

E=

nel

ze

h22e = IC / UCE Po,IB=k

h22e

h21e IB

IC

UBE

1/h22eh11e

h12e UCE h21e IB

UCE

Bipolární tranzistor

UCE

IB [A]

PCmaxOblast saturaceMez saturace

Mezní přímkaHyperboly konst. ztrát. výkonu

IC10-9

10

20

5

30

40

„IB=0“IB=0

ICmax

UCEmax30

Aktivní oblastAktivní oblast

50

I C [m

A]

5

Bipolární tranzistor - Saturační napětí

UCE

IB [A]

Oblast saturace

Mez saturace

Mezní přímka

IC10-9A

10

20

5

30

40

IB=0

ICmax

30

Aktivní oblastAktivní oblast

50

I C [m

A]

5IICNmaxCNmax

UCESAT = 0,2V (÷0,5V)

Bipolární tranzistor - První průraz

UCE

IB

I C

10-9A

IB=0

UCEmax

I C

U(BR)CEU

U(BR)CBO

U(BR)CES

U(BR)CER

U(BR)CE0

U(BR)CE0

UCE0

UCE0 UCER UCESUCEU

ICE0

ICERICESICEU ICB0

Oblast uzavřeného

stavu IB 0

UCBNN

NN

PP

IC

U(BR)CBO

EE

CC

Osamocený přechod colektoru

UCBO, ICBO

UCE

NN

NN

PP

UBE

IC

Vliv vstřiku z E do C

U(BR)CEO

UCEO, ICEO

RBE= UCE

NN

NN

PP

UBE

IC

Vliv snížení vstřiku z E do CU(BR)CER

UCER, ICER

RBE= konečný

- IB

- I- IBB Odvedení Odvedení

části Ičásti ICC mimo E mimo E

UCE

NN

NN

PP

UBE

IC

Vliv snížení vstřiku z E do CU(BR)CES

UCES, ICES

RBE= 0

- IB

- I- IBB Odvedení Odvedení

části Ičásti ICC mimo E mimo E

UB

E=

0

UCE

NN

NN

PP

UBE

IC

Vliv snížení vstřiku z E do CU(BR)CEU

UCEU, ICEU

Záporné předpětí

- IB

- I- IBB Odvedení Odvedení

části Ičásti ICC mimo E mimo E

UB

E <

0

UCB0

Vliv vstřiku nosičů náboje ze sousedního

přechodu PN na UBR

IC = B.M.IE + M.ICO

IC = IE

IC = M.ICO /(1- B.M)

Podmínka průrazu

IC 1- B.M = 0

B.M = 1

κ

BRUU

1

1M

E/(1+E) = B = 1/M = 1-(U/UBR)

E/(1+E) = 1- (U(BR)CE0/U(BR)CB0)

(U(BR)CE0/U(BR)CB0) = 1- E/(1+E)

(U(BR)CE0/U(BR)CB0) = ((1+E) - E ) /(1+E)

(U(BR)CE0/U(BR)CB0) = 1/(1+E)

U(BR)CE0/U(BR)CB0 = 1/(1+E) 1/

U(BR)CE0 = U(BR)CB0 /(1+E) 1/

U(BR)CE0 U(BR)CB0 /(E) 1/!!

Bipolární tranzistor - Druhý průraz (více typů)