Δομή και αρχή λειτουργίας τρανζίστορ
Οι τρεις περιοχές ενός τρανζίστορ ονομάζονται, ανάλογα με τη λειτουργία τους, εκπομπος (emitter), βάση (base) και συλλέκτης (collector). Ο εκπομπός είναι μια έντονα εμπλουτισμένη περιοχή, στο σχ.4.1.1 αυτό τονίζεται με δύο [+ +]. Προορισμός του είναι να εκπέμπει φορτία προς τη βάση. Η βάση είναι μια περιοχή λιγότερο εμπλουτισμένη, στο σχ.4.1.1 αυτό τονίζεται με ένα [ + ], και είναι πολύ λεπτή. Το λεπτό πάχος της βάσης επιτρέπει στα περισσότερα φορτία, τα οποία εκπέμπονται από τον εκπομπό, να φθάνουν στο συλλέκτη όπου και συλλέγονται. Το επίπεδο εμπλουτισμού του συλλέκτη είναι χαμηλότερο από αυτό του εκπομπού και από αυτό της βάσης. Επιπλέον, επειδή στο συλλέκτη καταναλώνεται μεγαλύτερη ισχύς, απο οτι στη βάση και τον εκπομπο, η περιοχή την οποία καταλαμβάνει ο συλλέκτης είναι μεγαλύτερη.
Σε κάθε τρανζίστορ σχηματοποιούνται δυο δίοδοι, μια μεταξύ βάσης και εκπομπού και μια μεταξύ βάσης και συλλέκτη. Γι' αυτό το λόγο ένα τρανζίστορ μοιάζει σαν να αποτελείται από δύο διόδους συνδεδεμένες σε αντίθετη φορά. Επειδή στη συνέχεια θα χρειασθεί να γίνει αρκετές φορές αναφορά σε αυτές τις διόδους, από εδώ και πέρα θα αποκαλούνται για λόγους συντομίας: δίοδος ή επαφή εκπομπού (η πρώτη) και δίοδος ή επαφή συλλέκτη (η δεύτερη).
Στο σχήμα 4.1.1 παρουσιάζονται, όπως προαναφέρθηκε, οι δυο δυνατές δομικές περιπτώσεις ενός τρανζίστορ. Το τρανζίστορ ΡΝΡ είναι το συμπληρωματικό του τρανζίστορ ΝΡΝ, επειδή οι φορείς πλειονότητας στον εκπομπο και συλλέκτη του πρώτου είναι οπές, ενώ του δευτέρου ηλεκτρόνια. Αυτό συνεπάγεται, ότι κατά τη λειτουργία του ΡΝΡ τα ρεύματα και οι πολώσεις έχουν αντίθετη φορά με τα ρευματα και τις πολώσεις του ΝΡΝ (σχ.4.1.1). Η μελέτη που θα ακολουθήσει, για να αποφευχθεί οποιαδήποτε συγχυση, θα εστιαστεί στο τρανζίστορ τυπου ΝΡΝ.
Το κυκλωματικό συμβολο ενός τρανζίστορ ΡΝΡ και ενός ΝΡΝ δίδονται στο σχ.4.1.1α και β αντίστοιχα. Το βέλος βρίσκεται πάντα στον εκπομπο και δείχνει τη συμβατική φορά του ηλεκτρικου ρευματος. Η φορά του βέλους δείχνει επίσης τον Ν-τυπου ημιαγωγό. Έτσι, στο σχ.4.1.1α (ΡΝΡ) το βέλος δείχνει προς τη βάση, η οποία είναι Ν-τυπου, ενώ στο σχ.4.1.1β (ΝΡΝ) το βέλος δείχνει προς τον εκπομπο, ο οποίος είναι πάλι Ν-τυπου.
Όταν δεν εφαρμόζεται πόλωση σε ένα τρανζίστορ ΝΡΝ, τα ελευθερα ηλεκτρόνια του εκπομπου διαχέονται προς τη βάση και μέρος των οπών της βάσης προς τον εκπομπο. Το ίδιο συμβαίνει και με τα ηλεκτρόνια του συλλέκτη και με μέρος των οπών της βάσης. Έτσι δημιουργείται μια περιοχή φορτίων χώρου (απογυμνωσης) σε κάθε επαφή, δηλαδή στην επαφή εκπομπου και την επαφή του συλλέκτη. Κατά μήκος κάθε επαφής αναπτυσσεται ένα φράγμα δυναμικού, το οποίο στους 23°C έχει τιμή 0,3 V αν ο ημιαγωγός είναι γερμάνιο και 0,7 V αν είναι πυρίτιο. Τα τρανζίστορ γερμανίου έχουν πολυ περιορισμένες εφαρμογές, σε αντίθεση με τα τρανζίστορ πυριτίου, των οποίων η χρήση είναι ευρυτατη. Αυτό οφείλεται στο ότι τα τρανζίστορ πυριτίου έχουν ευρυτερα όρια τάσης και ρευματος και τα χαρακτηριστικά τους εξαρτώνται λιγότερο από τη θερμοκρασία από ότι τα αντίστοιχα των τρανζίστορ γερμανίου. Γι' αυτό το λόγο, στη συνέχεια θα δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στα τρανζίστορ πυριτίου.
Επειδή οι τρεις περιοχές έχουν διαφορετικά επίπεδα εμπλουτισμου οι περιοχές φορτίου χώρου εκτείνονται σε διαφορετικό βάθος σε κάθε μια. Έτσι, στον εκπομπο απαντάται μικρότερο ευρος περιοχής φορτίου χώρου από ότι στη βάση (δίοδο εκπομπου) ενώ μικρότερο ευρος περιοχής φορτίου χώρου συναντάται στη βάση από ότι στο συλλέκτη (δίοδο συλλέκτη) (σχ.4.1.2α).
Όπως προαναφέρθηκε ο προορισμός του εκπομπού είναι να εκπέμπει φορτία προς τη βάση. Για να είναι αυτό εφικτό, πρέπει η δίοδος εκπομπού να είναι ορθά πολωμένη. Επιπλέον, για να είναι δυνατή η συλλογή φορτίων από τον συλλέκτη, πρέπει η δίοδος συλλέκτη να είναι ανάστροφα πολωμένη, όπως συμβαίνει στις περισσότερες εφαρμογές.
Στο σχήμα 4.1.2, παρουσιάζεται ένα τρανζίστορ στο οποίο έχει εφαρμοστεί πόλωση. Όπως βλέπουμε, σε ένα πολωμένο τρανζίστορ το εύρος της περιοχής φορτίου χώρου του εκπομπού ελαττώνεται, συγκριτικά με αυτό χωρίς πόλωση, ενώ το εύρος της περιοχής φορτίου χώρου του συλλέκτη αυξάνεται.
4.1.2 Αρχή λειτουργίας του τρανζίστορ
Η λειτουργία ενός τρανζίστορ, στην απλουστευμένη προσέγγιση της, βασίζεται στην εκπομπή φορέων από τον εκπομπό και τη συλλογή τους από το συλλέκτη. Για να γίνει αυτό καλύτερα κατανοητό, θα εξετάσουμε ένα τρανζίστορ τυπου ΝΡΝ (σχ.4.1.3), όπου θα χρησιμοποιήσουμε τη συμβατική φορά των ρευμάτων. Αρχικά θεωρούμε, ότι η δίοδος εκπομπου είναι ορθά πολωμένη. Όταν η τάση βάσης-εκπομπου (νΒΕ) είναι μικρότερη από 0,7 V (για τρανζίστορ πυριτίου) δεν διέρχεται πρακτικά ρευμα από τη βάση προς τον εκπομπό. Αν η τάση βάσης-εκπομπου ξεπεράσει τα 0,7 V θα υπάρξει αισθητή ροή ελευθέρων ηλεκτρονίων από τον εκπομπό προς τη βάση και ελευθερων οπών από τη βάση προς τον εκπομπό.
Η βάση, όπως έχει ήδη αναφερθεί, αποτελείται από ένα λεπτό στρώμα ημιαγωγου τυπου-Ρ, το οποίο είναι λιγότερο εμπλουτισμένο από ότι ο εκπομπός. Εξ' άλλου η επαφή του συλλέκτη, όπως φαίνεται στο σχ.4.1.3, είναι ανάστροφα πολωμένη και περιορίζει σημαντικά το ευρος της βάσης. Αυτά έχουν ως αποτέλεσμα την αυξηση του ποσοστού των ηλεκτρονίων τα οποία δε θα παραμείνουν στο χώρο της βάσης, αλλά θα εισέλθουν στο χώρο της επαφής του συλλέκτη. Το ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή φορτίου χώρου του συλλέκτη έχει τέτοια φορά, ώστε να ωθεί τα ηλεκτρόνια τα οποία έχουν εισέλθει προς τον συλλέκτη. Στη συνέχεια αυτά τα ηλεκτρόνια συλλέγονται από την επαφή του συλλέκτη και δίδουν το ρευμα συλλέκτη (IC). Θα πρέπει να μη ξεχνάμε ότι υπάρχει και το ρευμα ανάστροφης πόλωσης της διόδου συλλέκτη, το οποίο είναι πολυ μικρό και σε αυτή τη φάση θα το θεωρήσουμε αμελητέο.
Τα ελευθερα ηλεκτρόνια, τα οποία παραμένουν στο χώρο της βάσης, μαζί με τις ελευθερες οπές, οι οποίες εισέρχονται στην περιοχή του εκπομπου, δίνουν το ρευμα βάσης (IB). Επειδή το ρευμα αυτό προκυπτει από αλληλεξουδετέρωση ελευθερων ηλεκτρονίων με ελευθερες οπές, ονομάζεται και ρευμα επανασύνδεσης (recombination current) στα τρανζίστορ διπολικά (bipolar ή BJT).
Στα περισσότερα τρανζίστορ, περισσότερο από το 95% των φορτίων, που εκπέμπονται από τον εκπομπό, φθάνουν στο συλλέκτη και λιγότερο από το 5% παραμένουν στη βάση και συμβάλλουν στο ρευμα της βάσης.
Για τη λειτουργία των τρανζίστορ ο αναγνώστης πρέπει να θυμάται τα εξής:
1. Σε κανονική λειτουργία η επαφή εκπομπου είναι πάντα ορθά πολωμένη και η επαφή συλλέκτη είναι ανάστροφα πολωμένη. Υπάρχουν κάποιες ειδικές περιπτώσεις, όπου η επαφή συλλέκτη είναι ορθά πολωμένη.
2. Το ρευμα συλλέκτη είναι περίπου ίσο με το ρευμα του εκπομπου
3. Το ρευμα βάσης είναι πολυ μικρό.
Θεωρώντας το τρανζίστορ ως κόμβο διαπιστώνουμε, από τον πρώτο νόμο του Kirchhoff, ότι το ρευμα εκπομπου είναι ίσο με το άθροισμα των ρευμάτων βάσης και συλλέκτη
Το ποσοστό των ελευθερων φορέων του εκπομπου, το οποίο φτάνει στο συλλέκτη και δίνει το ρευμα συλλέκτη εκφράζεται από το συντελεστή α^ (DC άλφα), ο οποίος ορίζεται ως το πηλίκο του ρευματος του συλλέκτη προς το ρευμα του εκπομπου
Το αdc είναι αδιάστατο μέγεθος, δηλαδή «καθαρός» αριθμός. Όσο μεγαλυτερος είναι ο συντελεστής α^ τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια φθάνουν στο συλλέκτη και τόσο μικρότερο είναι το ρευμα της βάσης. Το ρευμα της βάσης μπορεί να ελαττωθεί αν η βάση γίνει λεπτότερη και μειωθεί ο εμπλουτισμός της. Βέβαια το α^ δεν μπορεί να γίνει ίσο με τη μονάδα διότι στο ρευμα της βάσης συνεισφέρουν και οι ελευθερες οπές της βάσης, στα τρανζίστορ τυπου ΝΡΝ, και τα ελευθερα ηλεκτρόνια της βάσης, στα τρανζίστορ τυπου ΡΝΡ. Αυτή η συνεισφορά έχει ως αποτέλεσμα την αυξηση του ρευματος βάσης χωρίς όμως και αντίστοιχη αυξηση του ρευματος συλλέκτη.
Εάν σε ένα τρανζίστορ αυξηθεί η τάση της διόδου εκπομπου του θα αυξηθεί το ρευμα βάσης 'B και αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την αυξηση του ρευματος συλλέκτη IC. Πειραματικά διαπιστώνεται, ότι υπάρχει σχέση (αναλογία) μεταξυ ρευματος βάσης και ρευματος συλλέκτη. Γι' αυτό το λόγο υπάρχει δυνατότητα ελέγχου του ρευματος συλλέκτη μέσω του ρευματος βάσης. Επειδή το ρευμα βάσης είναι μικρό ενώ το ρευμα του συλλέκτη μεγάλο, ορίζεται ένας συντελεστής ο οποίος ονομάζεται DC απολαβή ρεύματος ,βDC, ως το πηλίκο του ρεύματος συλλέκτη προς το ρευμα βάσης.
Το ,βDC είναι αδιάστατο μέγεθος, δηλαδή «καθαρός» αριθμός. O συντελεστής ,βDC δηλώνει πόσες φορές μεγαλύτερο ρευμα μπορούμε να ελέγξουμε στο κυκλωμα του συλλέκτη μέσω ενός μικρου ρευματος στο κυκλωμα της βάσης. Για δεδομένο ρευμα βάσης ΙΒ, το ρευμα συλλέκτη προκυπτει από τη σχέση
Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στη χρησιμοποίηση της εξ.4.1.4. Η παραπάνω εξίσωση ισχυει μόνο όταν το κυκλωμα του συλλέκτη επιτρεπει τη διελευση του ρευματος ισου ή μεγαλυτερου απο εκείνο, το οποίο προκυπτει από την εξ.4.1.4. Αν το κυκλωμα του συλλέκτη επιτρέπει τη διέλευση μικρότερων ρευμάτων, τότε το αποτέλεσμα που εξάγουμε χρησιμοποιώντας την εξ. 4.1.4 δεν είναι εφαρμόσιμο για το κυκλωμα μας. Γενικά το ,βDC δείχνει στην πράξη την αποτελεσματικότητα του ελέγχου του ρευματος συλλέκτη.
Από τις εξ.4.1.1. - 4.1.3 προκυπτει, ότι η σχέση η οποία συνδέει τα δυο μεγέθη ,βDC και aDC είναι:
ή
O συντελεστής ,DC, για τρανζίστορ χαμηλής ισχύος, έχει τιμές οι οποίες κυμαίνονται απο 100 έως 300. Για τρανζίστορ ισχύος οι τιμές του κυμαίνονται απο 30 έως 150. Από την εξ. 4.1.6 συμπεραίνεται ότι οσο περισσοτερο το α^ προσεγγίζει τη μοναδα τοσο αυςανεται το ,DC. Συνεπώς οι μέθοδοι οι οποίες χρησιμοποιούνται για την αυξηση του
•dc επιτυγχάνουν και την ταυτοχρονη αυςηση του ,DC.
ΓΕΝΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ
85
Παράδειγμα 4.1.1
Σε ένα τρανζίστορ μετράμε ρευμα συλλέκτη IC=8,15 mA και ρευμα
εκπομπου IE=8,20 mA. Να υπολογιστεί το ρευμα βάσης και οι συντελε-
IC = 8,15mA
17 = 8,20mA
και ο συντελεστής ,DC θα είναι
0 IC = 8,15mA
ΐμ = 0,05mA
Ελεύθερο ανάγνωσμα:
Για την περαιτέρω ελάττωση της συνεισφοράς των ελεύθερων φορέων της περιοχής της βάσης στο ρεύμα της βάσης, και συνεπώς για την αύξηση του συντελεστή άλφα, η σημερινή τεχνολογία έχει καταφύγει στη χρήση διαφορετικών ημιαγωγών για τον εκπομπό και τη βάση. Τα τρανζίστορ αυτά ονομάζονται διπολικά τρανζίστορ ετεροεπαφής (heterojunction bipolar
transistor). Έτσι χρησιμοποιούνται σύνθετοι ημιαγωγοί όπως τα στερεά διαλύματα πυριτίου-γερμανίου (SiGe) ή αρσενικούχου γαλλίου-αργιλίου
(AlGaAs). Προς το παρόν, αυτά τα τρανζίστορ έχουν σχετικά περιορισμένες εφαρμογές.
Επειδή στη βάση εισχωρούν δύο περιοχές φορτίου χώρου, της διόδου του εκπομπού και της διόδου του συλλέκτη, τα ελεύθερα φορτία της, ηλεκτρόνια στο σχ.4.1.3, περιορίζονται σε ένα πολύ λεπτό κανάλι. Η αντίσταση αυτού του καναλιού λέγεται κατανεμημένη αντίσταση rb και παίζει σημαντικό ρόλο στη λειτουργία του τρανζίστορ σε υψηλές συχνότητες. Επίσης σημαντικό ρόλο στη λειτουργία του τρανζίστορ σε υψηλές συχνότητες παίζουν το μήκος διαδρομής των φορτίων στο κανάλι της βάσης και οι παρασιτικές χωρητικότητες των διόδων συλλέκτη και εκπομπού.
Λύση
Η εξ. 4.1.1 δίνει
IB = IE- IC
Αρα
IB = 8,2 mA - 8,15 mA = 0,05 mA
Βάσει των εξ. 4.1.2 και 4.1.3, O συντελεστής α^ θα είναι
86
ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ
4.2 Βασικές συνδεσμολογίες τρανζίστορ
Σχήμα 4.2.1 Βασικές συνδεσμολογίες τρανζίστορ (α) κοινού εκπομπού (CE), (β) κοινής
βάσης (CB) και (γ) κοινού συλλέκτη (CC)
Στην απλούστερη περίπτωση, για την πόλωση ενός τρανζίστορ απαιτούνται δυο πηγές τάσης, μια για το βρόχο ορθής πόλωσης της διόδου του εκπομπου και μια για την ανάστροφη πόλωση του βρόχου της διόδου του συλλέκτη (σχήμα 4.1.3). Επειδή στη συνδεσμολογία αυτή η βάση είναι το κοινό σημείο σύνδεσης των δυο βρόχων η συνδεσμολογία ονομάζεται συνδεσμολογία κοινής βάσης (Common Base). Η συνδεσμολογία κοινής βάσης περιγράφεται συντομα ως CB η KB και παρουσιάζεται στο σχήμα 4.2.1,, όπου, για να δοθεί ιδιαίτερη έμφαση, η βάση έχει γειωθεί. Οι πηγές χαρακτηρίζονται με δείκτες από το κοινό ηλεκτρόδιο και τον ακροδέκτη στον οποίο συνδέονται. Έτσι έχουμε τις VEB και VCB, οι οποίες συνδέονται μεταξυ βάσης και εκπομπου και συλλέκτη αντίστοιχα.
Μια άλλη περίπτωση συνδεσης των πηγών είναι όταν οι βρόχοι έχουν ως κοινό τον εκπομπό. Αυτή η συνδεσμολογία ονομάζεται συνδεσμολογία κοινού εκπομπου (Common Emitter, CE η KE) και παρουσιάζεται στο σχήμα 4.2.1α. Οι αντίστοιχες πηγές συμβολίζονται ως VBE και VCE.
Στην τρίτη περίπτωση ανήκει η συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη (Common Collector, CC η ΚΣ), στην οποία οι δυο βρόχοι έχουν ως κοινό σημείο τους το συλλέκτη. Η συνδεσμολογία αυτή παρουσιάζεται στο σχήμα 4.2.1γ, οι δε πηγές συμβολίζονται ως VBC και VEC.
Σε όλες τις συνδεσμολογίες θα πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στο ότι, τουλάχιστον στα αναλογικά ηλεκτρονικά, η δίοδος εκπομπου πρέπει να είναι πάντα ορθά πολωμένη. Επιπλέον, θα πρέπει η δίοδος συλλέκτη να είναι ανάστροφα πολωμένη.
ΓΕΝΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ
87
4.2.1 Συνδεσμολογία κοινού εκπομπου
Η μεταβολή της συνδεσμολογίας ενός τρανζίστορ από κοινή βάση σε κοινό εκπομπο ή κοινό συλλέκτη, δεν μεταβάλλει την εσωτερική του λειτουργία. Τα ρεύματα και στις τρεις περιπτώσεις διατηρούν τις φορές και τα μέτρα τους, αρκεί να τηρηθούν τα όσα προαναφέρθηκαν.
Στο σχήμα 4.2.2 παρουσιάζεται συνδεσμολογία κοινού εκπομπου. Σε αυτό το κυκλωμα υπάρχει η πηγή VBB για τροφοδοσία του βρόχου της διόδου βάσης και η πηγή VCC για τροφοδοσία του βρόχου της διόδου συλλέκτη. Η πηγή VBB πρέπει να πολώνει ορθά τη δίοδο εκπομπου και η VCC τη δίοδο συλλέκτη. Οι αντιστάσεις RB και RC χρησιμευουν για τον περιορισμό των ρευμάτων σε κάθε βρόχο. Μεταξυ των ακροδεκτών εμφανίζονται οι τάσεις βάσης-εκπομπου VBE και συλλέκτη-εκπομπου VCE.
+
Σχήμα 4.2.2 Συνδεσμολογία κοινού εκπομπου
Η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος βάσης και τάσης βάσης-εκπο- μπου λαμβάνεται όταν μεταβάλλεται η VBB και μετράται το ΙΒ. Η χαρακτηριστική ρευματος βάσης μοιάζει με την αντίστοιχη χαρακτηριστική οποιασδήποτε διόδου διότι μεταξυ βάσης και εκπομπου σχηματίζεται το ισοδυναμο μιας απλής διόδου. Η δίοδος αρχίζει να άγει όταν η τάση στα
0,7 V
Σχήμα 4.2.3 Χαρακτηριστική ρευματος βάσης
ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ
άκρα της (VBE ) υπερβεί τα 0,7 V, για τρανζίστορ πυριτίου (σχ.4.2.3), και ο έλεγχος αυτου του γεγονότος χρησιμοποιείται ποϊυ συχνά ως πρώτη διαπίστωση της ομαλής λειτουργίας ενός τρανζίστορ.
Επειδή το ρευμα βάσης αυξάνεται απότομα για VBE > 0,7 V, θεωρουμε, όπως και στην επαφή ΡΝ, ότι η τάση μεταξυ βάσης εκπομπου παραμένει σταθερή, σε τιμή VBE = 0,7 V, όταν η δίοδος εκπομπου άγει.
Από το βρόχο βάσης, μπορεί να υπολογιστεί με τη βοήθεια της εξίσωσης
RF
4.2.1
Οι χαρακτηριστικές καμπύλες συλλέκτη λαμβάνονται, όταν μεταβάλλεται η VCC και μετράται το ρευμα συλλέκτη IC διατηρώντας σταθερό το ρευμα βάσης ΙΒ σε όλη τη διάρκεια της μέτρησης. Επειδή το ρευμα βάσης αποτελεί μεταβλητή παράμετρο, το αποτέλεσμα είναι να έχουμε σμήνος καμπυλών (σχ 4.2.4) και κάθε χαρακτηριστική καμπυλη να αντιστοιχεί σε μια τιμή του ΙΒ, η οποία και αναγράφεται πάνω από την αντίστοιχη καμπυλη.
Σχήμα 4.2.4 Χαρακτηριστικές καμπύλες συλλέκτη
Κάθε χαρακτηριστική ρευματος συλλέκτη, για μη μηδενικό ρευμα βάσης, παρουσιάζει τα εξής γενικά χαρακτηριστικά:
• Όταν η τάση συλλέκτη-εκπομπου είναι μηδέν (VCE = 0 V), η δίοδος συλλέκτη δεν είναι ανάστροφα πολωμένη και το ρευμα συλλέκτη είναι και αυτό μηδέν (IC=0 mA).
• Για τιμές τάσης συλλέκτη-εκπομπου μεταξυ 0V και περίπου 1 V, το
ΓΕΝΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ
89
ρευμα συλλέκτη αυξάνεται αποτομα και στη συνέχεια αποκτά σχεδόν σταθερή τιμή. Η συμπεριφορά αυτή σχετίζεται άμεσα με την ανάστροφη πόλωση της διόδου συλλέκτη.
• Για τιμές τάσης συλλέκτη-εκπομπου μεγαλυτερες του 1 V το ρευμα συλλέκτη παραμένει πρακτικά σταθερό και δεν εξαρτάται από την τάση συλλέκτη εκπομπου. Σε αυτή την περιοχή το τρανζίστορ συμπεριφέρεται πλέον ως πηγή σταθερου ρευματος.
• Όταν η τάση συλλέκτη εκπομπου υπερβεί κάποια τιμή, στη συγκεκριμένη περίπτωση του σχ. 4.2.4 τα 30 V, το ρευμα του συλλέκτη αυξάνεται απότομα. Αυτό οφείλεται στην διάσπαση της διόδου συλλέκτη με αποτέλεσμα η διάταξη να παυει να λειτουργεί ως τρανζίστορ. Η τιμή της τάσης συλλέκτη-εκπομπου για την οποία καταρρέει η δίοδος συλλέκτη αναφέρεται στα τεχνικά φυλλάδια ως τάση διάσπασης συλλέκτη-εκπομπού.
Οι χαρακτηριστικές καμπυλες ρευματος συλλέκτη ενός τρανζίστορ καθορίζουν τέσσερις περιοχές στις οποίες η λειτουργία του τρανζίστορ παρουσιάζει σημαντικές διαφορές από τη μια στην άλλη..
Περιοχές λειτουργίας τρανζίστορ
• Η πρώτη περιοχή είναι η περιοχή μικρών τάσεων VCE στην οποία το ρευμα συλλέκτη αυξάνεται απότομα (τάση συλλέκτη-εκπομπου μεταξυ 0 V και περίπου 1 V, σχ. 4.2.4). Αυτή η απότομα κεκλιμένη περιοχή της καμπυλης καλείται περιοχή κόρου (saturation region). Σε αυτή την περιοχή η δίοδος συλλέκτη δεν είναι ανάστροφα πολωμένη και η ταση συλλέκτη-εκπομπου συμβολίζεται ως VCESAT.
• Η δευτερη περιοχή είναι αυτή η οποία αντιστοιχεί σε τάση συλλέκτη μεταξυ 1 V και 30 V (σχ.4.2.4). Σε αυτή την περιοχή η δίοδος εκπομπου είναι ορθά πολωμένη, ενώ η δίοδος συλλέκτη είναι ανάστροφα πολωμένη. Σε αυτή την περιοχή, που είναι η πλέον σημαντική, το ρευμα συλλέκτη καθορίζεται μόνο από το ρευμα βάσης. Αυτή αντιπροσωπευει την περιοχή κανονικής λειτουργίας της διάταξης και γι' αυτό ονομάζεται ενεργός περιοχή (active region). Στην περιοχή αυτή η διάταξη συμπεριφέρεται ως πηγή ρευματος (IC = DC · IB).
• Η τρίτη περιοχή είναι αυτή, στην οποία η τάση συλλέκτη έχει υπερβεί την τάση διάσπασης συλλέκτη-εκπομπου. Στην περιοχή αυτή, όπως προαναφέρθηκε, η διάταξη παυει να λειτουργεί ως τρανζίστορ και ονομάζεται περιοχή διάσπασης (breakdown region).
90
ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ
• Τέλος, υπάρχει και η χαρακτηριστική η οποία αντιστοιχεί σε ρευμα βάσης μηδέν. Σε αυτή το ρευμα συλλέκτη είναι πολυ μικρό αλλά όχι μηδενικό. Η απόκλιση αυτή από την εξ.4.1.4 οφείλεται στο ότι το τρανζίστορ δεν είναι ιδανική συσκευή, οι δίοδοι του είναι πραγματικές και
συνεπώς υπάρχουν ρευματα διαρροής. Αυτή η χαρακτηριστική ρευματος συλλέκτη καθορίζει το ρευμα αποκοπής συλλέκτη (collector cutoff current, Iceo, που προκυπτει από θερμικά παραγόμενους φορείς και διαρροές). Η περιοχή η οποία καθορίζεται από αυτή τη χαρακτηριστική ονομάζεται περιοχή αποκοπής (cutoff region).
Το τρανζίστορ διαρρέεται από ένα όχι μηδαμινό ρευμα συλλέκτη και στα άκρα του αναπτυσσεται μια τάση VCE η οποία μπορεί να είναι σημαντική. Γι' αυτό το λόγο η ισχυς την οποία καταναλώνει μπορεί να είναι σημαντική και δεν πρέπει να υπερβαίνει τη μέγιστη τιμή την οποία δίνει ο κατασκευαστής στα τεχνικά φυλλάδια. Η ισχυς η οποία καταναλώνεται σε ένα τρανζίστορ δίδεται από τη σχέση
Pd = VCE · IC 4.2.2
Ο ακριβής υπολογισμός θα έπρεπε να συμπεριλάβει και την ισχυ η οποία καταναλώνεται στο τρανζίστορ από το ρευμα του βρόχου βάσης. Λόγω όμως της μικρής πτώσης τάσης στη δίοδο εκπομπου (~0,7 V) και του πολυ μικρου ρευματος βάσης, η ισχυς αυτή είναι πολυ μικρή και θεωρηθείται αμελητέα.
4.2.2 Ισοδύναμο κύκλωμα
Η ανάλυση και ο σχεδιασμός των κυκλωμάτων με τρανζίστορ απαιτουν τη γνώση των χαρακτηριστικών τους καθώς και την κατανόηση της συμπεριφοράς των τρανζίστορ σε ένα κυκλωμα. Για την καλυτερη κατανόηση της συμπεριφοράς και την ευκολότερη υπολογιστική αντιμετώπιση ενός τρανζίστορ σε ένα κυκλωμα, χρησιμοποιείται το ισοδυναμο κυκλωμα του. Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός τρανζίστορ, όπως έγινε με τη δίοδο στο κεφ.3, προσεγγίζει τη συμπεριφορά της διάταξης στο κυκλωμα. Είναι προφανές, ότι ένα απλό ισοδυναμο κυκλωμα καλυπτει ικανοποιητικά τις απλές λειτουργίες της διάταξης κυκλώματος. Όσο αυξάνονται οι απαιτήσεις, δηλαδή όσο περισσότερο θέλουμε το ισοδυ
ΓΕΝΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ
91
ναμο κύκλωμα να προσεγγίζει την πραγματική λειτουργία της διάταξης (π.χ. την απόκριση σε χαμηλές και υψηλές συχνότητες, το θόρυβο καθώς και τη μεταβατική συμπεριφορά) τόσο ποιο πολύπλοκο είναι το ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ.
Σχήμα 4.2.5 (α) Ισοδύναμο κυκλωμα ενός τρανζίστορ και οι ιδανικές χαρακτηριστικές ρεύματος, (β) βάσης και (γ) συλλέκτη
Η απλούστερη προσέγγιση ενός τρανζίστορ, η οποία καλύπτει τουλάχιστον ένα μέρος από τις χαρακτηριστικές της προηγουμένης παραγράφου, παρουσιάζεται στο σχ.4.2.5α. Το κύκλωμα αυτό περιλαμβάνει τη δίοδο εκπομπού και την πηγή ρεύματος συλλέκτη.
Η ισοδύναμη δίοδος βάσης παρουσιάζει συμπεριφορά όμοια με αυτή του ισοδύναμου κυκλώματος της διόδου που είδαμε στο Κεφ.3, δηλαδή αρχίζει να άγει όταν η τάση βάσης - εκπομπού υπερβεί τα 0,7 V και το ρεύμα αυξάνει εντελώς απότομα, όπως φαίνεται στο σχ 4.2.5β. Αυτή η συμπεριφορά εξυπηρετεί το σχεδιαστή όταν αναλύει ένα κύκλωμα στο
συνεχες, μιας και κατά γενικό κανόνα δεχόμαστε οτι η τάση μεταξύ βάσης και εκπομπού είναι VBE = 0,7 V.
Η ισοδύναμη πηγή ρεύματος συλλέκτη προσεγγίζεται με τη βοήθεια των ιδανικών χαρακτηριστικών του σχ. 4.2.5γ. Αυτές απεικονίζουν ικανοποιητικά την περιοχή αποκοπής και την ενεργό περιοχή λειτουργίας του τρανζίστορ, δεν καλύπτουν όμως την περιοχή κόρου και την περιοχή διάσπασης. Είναι προφανές, πάντως, ότι αυτές οι τελευταίες περιοχές λειτουργίας δεν παρουσιάζουν ενδιαφέρον. Όντως στην περιοχή διάσπασης η διάταξη δε λειτουργεί ως τρανζίστορ. Επίσης, στην περιοχή κόρου το ρεύμα συλλέκτη δεν ελέγχεται από το ρεύμα βάσης. Αρα, αν ληφθεί υπόψη ότι η τάση συλλέκτη - εκπομπού είναι πολύ μικρή, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι μια πηγή ρεύματος συλλέκτη με τις χαρακτηριστικές του σχ.4.2.5 περιγράφει ικανοποιητικά τη συμπεριφορά του τρανζίστορ.
BCVVBECE
92
TPANZIITOP
Παράδειγμα 4.2.1
Αν στο σχ. 4.2.2 έχουμε VBB=15 V, VCC=15 V, RB=470 ΚΩ και RC=3,3
ΚΩ να υπολογίσετε το ρευμα βάσης, το ρευμα συλλέκτη και την τάση
συλλέκτη - εκπομπου, με δεδομένο ότι το ,DC=100.
Λύση
Χρησιμοποιουμε το ισοδυναμο κυκλωμα του σχ. 4.2.5. Με τη βοήθεια
της εξ.4.2.1. υπολογίζουμε το ρευμα βάσης:
I VBB-VBE 15V-0,7V 14,3V 301u.
Ιμ= Rb = 470ΚΩ =4,7 χ 105Ω=3°,4mΑ
Το ρευμα συλλέκτη δίνεται από την εξ.4.1.4
IC = ,dc · IB = 100 χ 30,4mΑ = 3,04mA
Η τάση συλλέκτη-εκπομπου θα υπολογιστεί από το βρόχο συλλέ-
κτη, που δίνει
VCE = VCC - IC · RC = 15V - (3,04σιΑ) χ (3,3ΚΩ) = 15V - 10,3V = 4,97V
Η τελευταία τιμή επιβεβαιώνει, ότι το τρανζίστορ λειτουργεί στην
ενεργό περιοχή.
4.2.3 Ανάγνωση τεχνικών χαρακτηριστικών
Στο τεχνικό φυλλάδιο των κατασκευαστών αναφέρεται ο κωδικός αριθμός και ο τυπος του τρανζίστορ. Στη συνέχεια αναφέρονται κάποιες βασικές εφαρμογές για τις οποίες έχει κατασκευαστεί η διάταξη, π.χ. οι ενισχυτές υψηλής συχνότητας, ταλαντωτές και μεταλλάκτες. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι απόλυτες μέγιστες εκτιμήσεις, οι οποίες αναφέρονται συνήθως σε θερμοκρασία 25°C, εκτός αν επισημαίνεται αλλιώς. Αυτές αποτελουν φραγμό για τις εφαρμογές στις οποίες
κάποιος σχεδιαστής ή συντηρητής εχει την πρόθεση να χρησιμοποιήσει το συγκεκριμένο τρανζίστορ. Πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή σε αυτό το σημείο διότι ο κατασκευαστής δε φέρει ευθυνη για τη λειτουργία της διάταξης όταν γίνεται εκτός αυτών των ορίων. Επιπλέον, ο αναγνώ-
στης πρέπει να έχει υπόψη, οτι απο ένα συνολο τρανζίστορ, π. χ. τυπου
ΓΕΝΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ
93
2Ν3904 μπορεί μερικά, ο αριθμός των οποίων είναι πολύ μικρός να λειτουργούν πέραν αυτών των ορίων. Αυτό όμως, δεν αποτελεί γενίκευση του κανόνα για τυχαία επιλογή. Οι απόλυτες μέγιστες εκτιμήσεις σε ότι αφορά τις τάσεις διάσπασης δίνονται από τα μεγέθη:
VCB : τάση διάσπασης διόδου συλλέκτη-βάσης (π.χ. 60 V)
VCEO : τάση διάσπασης συλλέκτη-εκπομπού με (π.χ. 40 V) τη βάση ανοικτή
VEB : τάση διάσπασης διόδου βάσης-εκπομπού (π.χ. 6 V)
Σε ότι αφορά το μέγιστο ρεύμα και καταναλισκόμενη ισχύ δίνονται από τα μεγέθη:
IC : μέγιστο ρεύμα συλλέκτη για θερμοκρασία περιβάλλοντος (ΤΑ)
PDA : μέγιστη καταναλισκόμενη ισχύς για θερμοκρασία περιβάλλοντος (ΤΑ)
PDC : μέγιστη καταναλισκόμενη ισχύς για θερμοκρασία κελύφους (TC)
Ο συντελεστής στο DC απολαβή ρεύματος, ,DC, συναντάται και με άλλη μορφή μια και, αντί του β, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν τις h (υβριδικές παραμέτρους) (h parameters). Έτσι στα τεχνικά φυλλάδια το ,DC συναντάται ως hFE. Στην πράξη, η DC απολαβή ρεύματος δεν παραμένει σταθερή με το ρεύμα συλλέκτη. Γι' αυτό οι κατασκευαστές δίνουν τιμές του hFE για διάφορες τιμές του ρεύματος συλλέκτη. Στη συνέχεια απεικονίζεται ο τύπος του κελύφους με τους ακροδέκτες και ακολουθούν τα λεγόμενα στατικά (static) και τα δυναμικά (dynamic) χαρακτηριστικά.
