Bipoláris tranzisztorok (BJT)

Átírás

1 Bipoláris tranzisztorok (BJT) Bipoláris tranzisztorok különböző szennyezésű félvezetők, és a köztük létrejövő átmenetek érintkezésén alapszik. A bipoláris elnevezés abból adódik, hogy a tranzisztoron belül az áramot kialakításában nemcsak az elektronok (negatív töltéshordozók) hanem a lyukak (pozitív töltéshordozók) áramlása is részt vesz. NPN tranzisztorban az elektronok a többségi töltéshordozók (majority carriers) míg a lyukak a kisebbségi töltéshordozók (minority carriers) PNP tranzisztorokban a lyukak a többségi, az elektronik a kisebbségi töltéshordozók. A BJT működését más-más szempontok szerint több modell alapján lehet megközelíteni: Nagyjelű modellek: - Az Ebers-Moll modell minden működési tartományban kielégítően modellezi a BJT főbb működési tulajdonságait, két dióda, ill. a diódák által vezérelt áramgenerátorok által. U be U I F =I ES (e T 1) I R =I CS (e U cb U T 1) I C =α F I F I R I B =I E I C I E =I F α R I R - A Gummel-Poon modell a szimulátorok által használt modell, az Ebers-Moll modellre alapul, de figyelembe veszi az Early hatást (bázis szélesség moduláció) ill. a tranzisztorban található parazita elemeket is, mint pl: A CB, CE kapacitást, azok függőségét a BJT kivezetéseinek feszültségeitől, a C, B, E köri soros parazita ellenállásokat. Ezenkívül képes modellezni a BJT-k áramerősítési tényezőjének függőségét a kollektor áramtól. Így a BJT működését nagyon pontosan, a teljes frekvencia tartományban megfelelően modellezi.

2 BJT-k fontosabb paraméterei: (a teljesség igénye nélkül) Statikus paraméterek: - U CBO kollektor-bázis dióda maximális záróirányú feszültsége I E =0 esetén - U EBO emitter-bázis dióda maximális záróirányú feszültsége I C =0 esetén - U CEO emitter-kollektor közötti maximális feszültség I B =0 esetén - I C maximális folytonos kollektor áram - P tot maximális disszipációs képesség - T j a chip maximális üzemi hőmérséklete - U CEsat a kollektor-emitter feszültség értéke telített állapotban - h FE egyenáramú áramerősítési tényező (β) Dinamikus paraméterek: - C ob kimeneti kapacitás - C ib bemeneti kapacitás - f T tranzit frekvencia (Current gain bandwith product) az a frekvencia ahol a tranzisztor áramerősítési tényezője egyre csökken

3 Összetett BJT-s alapkapcsolások A Darlington pár: A fentebb látható bekötési mód esetén a tranzisztorok áramerősítési tényezői összeszorzódnak. Továbbra is NPN tranzisztorként funkcionál, de kisebb meghajtó teljesítményt igényel. I E 1 =I B 1 (1+ ) I C 1 =I B 1 I C 2 =I B1 (1+ )β f 2 I C =I B 1 (1+(1+ )β f 2 ) I B1 β f 2 A két tranzisztor adatai közül: Maximális feszültséget illetően a kisebb adat mérvadó. Maximális áramot és disszipációt illetően a nagyobb adat mérvadó Tranzit frekvenciát illetően a kisebb adat Visszaható kapacitást illetően T1 tranzisztorhoz tartozó érték mérvadó. A Sziklai (Complementary feedback pair) pár: A Sziklai pár hasonló a Darlington párhoz az áramerősítési tényezőt tekintve, viszont azzal ellentétben NPN-PNP pár alkotja. Legfőbb előnye abban rejlik, hogy egy kis teljesítményű PNP tranzisztor egy nagy teljesítményű NPN tranzisztort arra tud kényszeríteni, hogy PNP tranzisztorként viselkedjen. Illetve fordítva, egy kis teljesítményű NPN tranzisztor egy nagy teljesítményű PNP tranzisztort NPN tranzisztornak megfelelő viselkedésre kényszerít. I B2 =I B1 I E 2 =I B2 (1+β f 2 )=I B 1 (1+β f 2 )

4 A kollektor-bázis kapacitás ( ~ Miller effektus): A kollektor-bázis kapacitáson akkor folyik áram, ha a C-B feszültség időben változik: I M = δ U CB δ t C M Emitter követő kapcsolás esetén a C-B kapacitás a bemenettel párhuzamosan kapcsolódik. Amennyiben az emitter követőt meghajtó kapcsolás kimeneti impedanciája kellően alacsony, abban az esetben a C-B kapacitás hatása elhanyagolható. Földelt bázisú kapcsolás esetén a kollektor feszültség változása áramot indít meg a C-B kapacitáson keresztül, ám ez az áram a föld felé folyik, így nincs káros visszahatása a meghajtó jelre, ami a tranzisztor emitterére van becsatolva. Földelt emitteres kapcsolás esetén a kollektor feszültség változása olyan irányú áramot indít meg a C-B kapacitáson keresztül, amely a tranzisztort meghajtó áramnak ellentart, így a tranzisztor működését lassítja. Érdemes megemlíteni, hogy míg a C-B kapacitás a BJT kollektor feszültség változásának szab határt, addig az emitter köri parazita induktivitás az emitter, azáltal pedig a kollektor áram változásának sebességét korlátozza. Ez belátható az alapján, hogy az induktivitás feszültsége U LE = δ I E L mindig olyan irányú, hogy δ t a tranzisztor B-E diódáján a kollektor áram változást előidéző feszültség változásnak ellentartson.

5 Térvezérlésű (unipoláris) tranzisztorok Unipolárisak azok a tranzisztorok, ahol a tranzisztoron belül az áramot csak a többségi töltéshordozók mozgása hozza létre. A térvezérlésű tranzisztoroknak (Field Effect Transistor) a három kivezetését nyelőnek (drain) kapunak (gate), és forrásnak (source) nevezzük. Nagy hasonlóságot mutatnak a BJT C-B-E kivezetéseivel. Ezenkívül sokszor szóba kerül a térvezérlésű tranzisztorok esetén a fő hordozó anyag elektromos kivezetése, amit body-nak neveznek. A térvezérlésű tranzisztorok feszültség vezérelt tranzisztorok, a bemenetüket egy kondenzátornak érdemes tekinteni, aminek a töltöttségi szintjétől függően vezet a tranzisztor. A tranzisztor vezérlőelektródája, a gate a kondenzátor egyik fegyverzete, ami a a tranzisztor többi kivezetésétől galvanikusan el van szigetelve. Attól függően, hogy a szigetelést mi valósítja meg, megkülönböztetűnk több típust, ezek közül a lényegesebbek: - JFET (Junction Field Effect Transistor) A szigetelés egy záróirányba előfeszített PN átmenet valósítja meg - MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) A szigetelést tipikusan a gate-et körbevevő vékony SiO2 réteg biztosítja - MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) A szigetelést egy záróirányba előfeszített fém-févezető (Schottky) átmenet biztosítja - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Egy MOSFET-ből és egy IGBT-ből egy chipen felépített hibrid tranzisztor Működését tekintve a térvezérlésű tranzisztorokhoz esik közelebb

6 Egyszerűbb MOSFET-ek felépítését vizsgálva láthatjuk, hogy egy P típusú kristályba két erőssen szennyezett N típusú réteget ágyaznak be, amit fémes kontaktussal kivezetnek, D ill. S néven. A kristálytól egy SiO2 rétegen keresztül elszigetelve egy fémréteg lesz a Gate, ill. a hordozó fémfelületet is kap kivezetést Body néven, ami elektromos sösszeköttetésben áll a hordozó P típusú kristállyal. A működést vizsgálva azt vehetjük észre, hogy a G-B kapacitást megfeleő polaritással feltöltve annak fegyverzetei között töltéskülönbség jön létre, a fegyverzeteken töltéshordozók halmozódnak fel. Amennyiben a Body-ban (P típusú réteg) növekszik a felhalmozozz elektronok száma, úgy egyre gyengébben szennyezett P tipusú rétegként fog viselkedni, a további elektron felhalmozódás elöbb utóbb azt fogja eredményezni, hogy a P típusú réteg egy része N tipusúvá válik. Ezt nevezik inverziós rétegnek. Az inverzós réteg a töltéskülönbség további halmozásával egyre jobban növekszik, mígnem elér egy akkora méretet, hogy összeköti a S ill. a D N típusú rétegeit. Ebben az esetben kialakul egy csatorna a S és a D között, amiben az elektronok szabadon tudnak mozogni, a tranzisztor vezet. Azt a G-B (javarészt a B és az S összeköttetésben van, ebben az esetben a G-S) feszültséget, ahol a csatorna kialakul nevezzük Gate Threshold Voltage-nek. A gyakorlatban a MOSFET-ek felépítése az ábrán láthatótól jelentősen eltér geometriailag, abból az okból kifolyólag, hogy a kristály térfogatának a működés során minél nagyobb részét töltse ki a csatorna.

7 MOSFET-ek fontosabb paraméterei: (a teljesség igénye nélkül) Statikus paraméterek: - U DS D-S feszültség maximuma (D-S dióda letörése) - U GS G-S feszültség maximuma (oxidréteg átütése) - I D maximális folytonos kollektor áram - I DM maximális impulzusszerű kollektor áram - I DDS drain áram 0V G-S feszültség mellett - P D maximális disszipációs képesség - T j a chip maximális üzemi hőmérséklete - R DSon csatorna ellenállás teljesen bekapcsolt állapotban - U GSt Gate Source Threshold Voltage Az a minimális G-S feszültség, ahol a csatorna kialakul Dinamikus paraméterek: - C iss Bemeneti kapacitás - C oss Kimeneti kapacitás - C rss Visszaható kapacitás - Q G Adott G-S feszültség eléréséhez szükséges töltésmennyiség - t d(on) Bekapcsolási késleltetés ideje - t d(off) Kikapcsolási késleltetés ideje - t rise Bekapcsolási idő - t fall Kikapcsolási idő - L S A source belső induktivitása - Q rr Az antiparrallel dióda tárolt töltése - t rr A töltéskiüritéshez szükséges idő