Curat(3) UTM PROIECT

Coala

Mod Coală N Document Semn. Data 1 - 1 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala

Mod Coală N Document Semn. Data

1. Tranzistorul bipolar.

1.1. Parametrii de bază ai tranzistorului KT601A.

Tranzistor bipolar de tip n-p-n, fabricat prin metoda difuziei, de putere medie şi frecvenţă înaltă se foloseşte în circuite de generare şi amplificare din aparatajul radioelectronic. Masa tranzistorului nu mai mult de 3 grame. Parametrii electrici: Parametrii electrici:

1.Coeficientul de transfer după curent în schema emitor comun:

h21E =16

2. Tensiunea colector-bază: UCB=20 V

3. Curentul colectorului maxim: ICmax=0,3 A

4. Capacitatea joncţiunii colectorului: CC=15 pF

5. Capacitatea joncţiunii emitorului: CE=20 pF

6. Frecvenţa de tăiere: ft=40 MHz

7. Curentul de scurgere a colectorului: ICB0 ….500 A

8. Puterea maximă: Pmax=0,5 W

9. Temperatura de funcţionare: T=233....358oK

1.2.Tehnologia de fabricare a tranzistorului

KT601A.

Tranzistorul este un dispozitiv având o structură de tip n-p-n sau p-n-p, la care regiunea din mijloc, adică baza trebuie să fie foarte subţire şi puţin dotată cu impurităţi. Se consideră a nota cu E-emitorul, cu B-baza şi C-colectorul. Difuzia este procesul cu ajutorul căruia pe suprafaţa sau în interiorul plachetei semiconductoare primim p sau n regiuni prin metoda introducerii impurităţilor acceptoare sau donoare. Pătrunderea impurităţilor în interiorul plachetei semiconductoare are loc din cauza difuziei atomilor, care se află în componenţa

2 - 2 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


vaporilor în atmosfera cărora este introdusă placheta la temperatură înaltă. Deorece atomii de impurităţi difundează din regiunea cu concentraţie înaltă cu viteză determinată de coeficientul de difuzie, atunci concentraţia mai mare a impurităţilor se obţine la suprafaţa semiconductorului. Cu mărirea distanţei de la suprafaţă spre interiorul semiconductorului concentraţia impurităţilor monoton se micşorează. Joncţiunea p-n apare în regiunea unde concentraţia purtătorilor de sarcină este aproape de cea pe care o are materialul fără impurităţi. Din cauza repartiţiei neuniforme a impurităşilor pe grosimea regiunii primită prin difuzie are câmp electric propriu. Diferenţa dintre mărimile coeficientului de difuzie la materiale diferite este folosită pentru primirea simultană a două regiuni de diferit tip de electroconductibilitate. Pentru Ge coeficientul de difuzie a impurităţilor donoare este cu câteva ordine mai mare decât coeficientul de difuzie a impurităţilor acceptoare, iar în Si se observă o imagine inversă. De aceea dacă placheta semiconductorului este plasată într-un spaţiu cu temperatură înaltă a gazului ce conţine vapori de impurităţi atât donoare, cât şi acceptoare. Atomii impurităţilor cu coeficient de difuzie mare vor pătrunde mai adânc în interiorul semiconductorului şi vor forma regiune cu electroconductibilitate respectivă. Atomii de impurităţi cu coeficient de difuzie mai mic vor forma în apropierea suprafeţei semiconductorului regiune cu electroconductibilitate de tip opus. Cu toate acestea e necesar ca concentraţia impurităţilor cu coeficient mic de difuzie să fie mai mare decât concentraţia cu coeficient mare. Calitatea procesului de difuzie la fabricarea joncţiunilor depinde mult de precizia şi de menţinerea temperaturii necesare. De exemplu la temperatura 1000÷1200C schimbarea ei cu câteva grade poate modifica de două ori valoarea coeficientului de difuzie. Difuzia în două etape este folosită pentru micşorarea influienţei instabilităţii temperaturii la calitatea dispozitivelor semiconductoare, primite prin metoda difuziei. La prima etapă pe suprafaţa plachetei semiconductoare la temperatură relativ joasă se primeşte o peliculă de sticlă. La a doua etapă placheta semiconductoare este plasată într-o sobă cu temperatură înaltă, în care difuzia impurităţilor are loc din pelicula de sticlă spre interiorul plachetei, iar pe suprafaţa semiconductorului rămâne o peliculă dielectrică de oxid. Difuzia în două etape este procesul des folosit la introducerea impurităţilor de B în Si. În calitate de sursă de impurităţi se foloseşte oxidul de bor (B2O3). Încălzind placheta şi B2O3 în atmosfera de hidrogen, pe suprafaţa ei se

3 - 3 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


primeşte un strat de borosilicat. Încălzirea plachetei până la temperaturi înalte aduce la difuzia borului din stratul de sticlă în interiorul plachetei. Cu toate acestea suprafaţa este acoperită cu SiO2, care este un dielectric. În acest fel prin difuzia în două etape are loc dozarea introducerii impurităţilor din startul de sticlă în semiconductor. Pentru fabricarea tranzistorului KT601A, care este de tip n-p-n, se foloseşte metoda de difuzie planară. Din punct de vedere constructiv dispozitivele planare sunt caracterizate cu aceea că toate straturile sunt realizate pe una şi aceeaşi parte a plachetei, deaceea şi electrozii sunt plasaţi pe aceeaşi parte. Masca în formă de oxid de siliciu SiO2, o primim prin metoda oxidării termice a suprafeţelor de siliciu, care posedă următoarele proprietăţi:1. Masca de oxid este legată organic cu suprafaţa plachetei,

având un contact trainic cu ea, ceea ce exclude pătrunderea difuzorului în locul dintre mască şi suprafaţă.

2. Grosimea măştii de oxid (aproximativ un micron) este destul pentru apărarea părţilor respective a plachetei împotriva atomilor ce difuzează.

3. Stratul d oxid în acelaşi timp cu funcţia de mascare îndeplineşte şi funcţia de apărare (înseamnă şi a n-p joncţiunii, care iese la suprafaţă) de la influienţa diferitor factori externi. În cazul, tehnologiilor de aliere şi mesa pentru asta este nevoie de a folosi metode speciale de protecţie.

Ciclul de fabricare planară a tranzistorului n-p-n este ilustrat în figura 1. Se ea o plachetă din Si tip-n, care în structura rezultantă joacă rolul de colector. Pe această plachetă peste prima mască de oxid se efectuiază difuzia acceptorului (de obicei bor) şi se primeşte stratul p al bazei. Apoi peste a doua mască se face difuzia donorilor (de obicei fosfor) astfel primim stratul emitorului. În sfârşit cu ajutorul celei de-a treia măşti de oxid se conectează contactele omice din aluminiu la toate cele trei straturi şi în continuar esunt lipite la aceste contacte sârmuliţe subţiri care joacă rolul de picioruşe ale tranzistorului. În varianta considerată placheta este aleasă cu o rezistenţă destul de mare, pentru a asigura o tensiune de străpungerea a joncţiunii colectorului necesară.

SiO2

4 - 4 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


a)

b)

с)

E B C

b)

1.3. Caracteristica de intrare şi ieşire pentru tranzistorul KT601A.

5 - 5 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Figura 1. Etapele de fabricare a tranzistorului planar de tip n-p-n.a) placheta înaintea difuziei bazei.b) placheta înaintea difuziei emitorului.c) placheta înaintea alierii contactelor omice.d) Structura rezultantă a tranzistorului de tip n-p-n.

Coala


Caracteristica de intrare IB=f(UBE) pentru UCE=const. În conexiunea EC normală curentul de bază este dat de relaţia:

Relaţia de mai sus pune în evidenţă că asemănarea caracteristicii de intare este aceeaşi ca şi la conexiunea BC, cu observaţia că reprezentarea se face la o altă scară. Pentru valori mici ale tensiunii de polarizare directă a joncţiunii emitorului, caracteristica de intrare apare în cadranul IV întrucât în circuitul bazei predomină curentul rezidual ICB0. La tranzistoarele din siliciu, curentul rezidual este foarte mic, astfel încât caracteristica de intrare se poate considera că trece prin origine.

Caracteristica de ieşire a tranzistorului bipolar KT601.

1.4. Scheme echivalente ale tranzistorului bipolar (BC, EC, CC).

Conectare emitor comun.

6 - 6 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Fig .1. Caracteristica de intrare IB=f(UEB), pentru UCE=const.

Coala


Tranzistorul este un dispozitiv cu trei terminale (borne) şi poate fi conectat în circuit după unul din montajele fundamentale (BC, EC, CC); montajele fundamentale sunt denumite şi conexiuni fundamentale. Vom analiza mai detaliat schema de conectare în emitor comun care are cea mai largă utilizare în practică:

Această conectare are următoarea schemă echivalentă:

Din schema echivalentă rezultă următorii parametri:

- rezistenţa de intrare în etaj

; (1)

; (2)

Înlocuind în (1) pe Iin cu Ib şi pe Uin cu valoarea ei din (2) obţinem:

; (3)

7 - 7 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Fig. 1. Schema de conectare în emitor comun

fig. 2. Schema echivalentă ( emitor comun ).

Coala


Conectare bază comună.

Pentru această conectare se poate prezenta următoarea schemă de conectare:

Conectare colector comun.

Coeficientul de transfer după curent reprezintă raportul dintre curentul emitorului

şi curentul bazei:

8 - 8 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

fig. 3. Schema de conectare ( bază comună ).

fig. 4. Schema echivalentă ( bază comună ).

Coala


Proprietatea cea mai de preţ a conexiunii în colector comun este rezistenţa de

intrare foarte joasă. Datorită rezistenţei de intrare reduse tranzistorul în

conexiunea colector comun este echivalent unui generator de tensiune care se

schimbă neesenţial la variarea rezistenţei de sarcină (bineînţeles pînă cînd

rezistenţa de sarcină nu depăşeşte cu mult rezistenţa de ieşire a generatorului).

1.5. Modelul matematic al tranzistorului.

Pentru a obţine modelul matematic al tranzistorului se utilizează schema prezentată în fig. 1. Fiecare joncţiune este prezentată în formă de o diodă simplă, iar interacţiunea dinre ele este reprezentată prin două generatoare de curent. Dacă joncţiunea emitorului este deschisă atunci în circuitul colectorului va curge un curent, puţin mai mic ca curentul emitorului (din cauza procesului de recombinare în bază). Acest curent este obţinut de către generatorul de curent . Indicele N reprezintă conectarea normală sau directă. Deoarece în caz general tranzistorul poate fi conectat şi indirect, la care joncţiunea colectorului este deschisă iar cea a emitorului este închisă, astfel rezultă că curentului colector îi corespunde curentul emitorului , în schema echivalentă este introdus al doilea generator de curent , unde - coeficientul de transfer al curentului emitorului.

În aşa fel curenţii emitor şi colector în caz general conţin două componente: cea injectată ( sau ) şi cea colectată ( sau ):

(1)Joncţiunile emitor şi colector sunt analogice joncţiunii p-n a diodei. La

conectarea aparte a joncţiunilor tranzistorului atunci caracteristica Volt-Amper se determină la fel ca în cazul diodei. Însă dacă la una din joncţiuni se aplică o tensiune, iar ieşirea cealeilalte joncţiune se scurtcircuiteză, atunci curentul, care trece prin joncţiunea p-n, la care a fost aplicată tensiunea, se măreşte din cauza schimbării concentraţiei purtătorilor minoritari de sarcină în bază.

(2)

9 - 9 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

fig. 5. Schema de conectare ( colector comun ).

Coala


unde - curentul termic al joncţiunii emitorului măsurat la scurtcircuitarea electrozilor bazei şi colectorului; - curentul termic al joncţiunii colectorului măsurat la scurtcircuitarea electrozilor bazei şi emitorului.

Legătura dintre curenţii termici a joncţiunilor , conectaţi aparte, şi curenţii termici a joncţiunilor o primim din relaţiile (1) şi (2). Să presupunem că , atunci . Cînd Substituim aceste relaţii în (1) şi obţinem pentru curentul colectorului următoarea ecuaţie

Respectiv pentru avem Luînd în consideraţie relaţia (2) vom avea următoarele relaţii pentru curenţii

colector şi emitor: (3)

Pe baza legii lui Kirghoff curentul bazei este: (4)

La utilizarea relaţiilor (1)-(4) trebuie de reţinut că în tranzistoare la general este valabilă relaţia:

(5)Rezolvînd ecuaţia (3) în raport cu , vom boţine:

(6)Această ecuaţie descrie caracteristicile de ieşire ale tranzistoarelor.

Dacă ecuaţia (3) se rezolvă în raport cu atunci se obţine relaţia care reprezintă caracteristicile idealizate de ieşire ale tranzistorului:

(7)

În tranzistorul real în afară de curenţii termici ale joncţiunilor mai sunt şi curenţii de generare-recombinare, curenţi de canal şi de scurgere. Deaceea

de regulă sunt necunoscute. Dacă joncţiunea p-n este polarizată indirect atunci curentul termic poate fi

înlocuit cu curentul de scurgere, adică putem considera că şi . Prima aproximare poate fi utilizată şi la polarizarea directă. Cu toate acestea la tranzistorii de siliciu trebuie substituit prin , unde coeficientul m reprezintă influienţa curenţilor asupra unei joncţiuni reale ( ). Utilizînd aceasta, relaţiile (3) şi (5) adesea se scriu în altă forma care este mai comodă la calcularea parametrilor circuitelor cu tranzistori reali:

(8)

(9)

(10)unde .

10 - 10 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Se deosebesc trei regime de bază de funcţionare a tranzistorilor bipolari: activ, de blocare şi de saturaţie.

În regimul activ una din joncţiunile tranzistorului este polarizată direct datorită tensiunii aplicate din exterior, iar cealaltă este polarizată indirect. Astfel în regim de polarizare normală activă emitorulu este polarizat direct iar tensiunea din relaţiile (3) şi (8) are semnul „+”. Joncţiunea colectorului este polarizată indirect respectiv tensiunea în relaţia (3) are semnul „-”. La conecatrea inversoare a tranzistorului în ecuaţiile (3) şi (8) tensiunea şi trebuie să aibă polaritate opusă. Deosebirea dintre regimul inversor şi cel activ are numai caracter cantitativ.

Pentru regimul activ, cînd şi relaţia (6) o vom scrie în forma următoare , care corespunde absolut cu relaţia (1) din punctul anterior.

Luînd în consideraţie că deobicei şi ecuaţia (7) poate fi simplificată:

(11)În acest mod, într-un tranzistor ideal curentul colector şi tensiunea emitor-

bază la o anumită valoare a curentului nu depind de tensiunea alpicată la joncţiunea colector. În realitate la modificarea tensiunii se modifică lărgimea bazei, din cauza schimbării dimensiunilor joncţiunii colector şi respectiv se modifică gradientul concentraţiei purtătorilor minoritari de sarcină. Astfel la mărirea are loc micşorarea bazei, gradientul concentraţiei golurilor în bază şi curentul se măresc. În afară de aceasta, se reduce probabilitatea de recombinare a golurilor şi se măreşte coeficientul . Pentru menţionarea acestui efect, care apare mai pronunţat în regimul activ, în relaţia (11) se adaugă încă un termen:

(12)

unde - rezistenţa diferenţială a joncţiunii colectorului blocată.

Acţiunea tensiunii asupra curentului se observă cu ajutorul coeficientului de reacţie negativă în tensiune:

, (13)

care arată de cîte ori trebuie schimbată tensiunea pentru primirea aceleiaşi schimbări a curentului . Semnul minus arată că pentru menţinerea curentului

creşterea tensiunii trebuie să aibă polaritate opusă. Coeficientul este destul de mic ( ), deaceea la calcule practice deobicei se exclude influienţa tensiunii colectorului asupra cea a emitorului.

În regim de blocare ambele joncţiuni sunt polarizate indirect de către tensiunile aplicate din exterior. Modulul tensiunilor trebuie să întreacă valoarea

. Dacă aceste tensiuni vor fi mai mici atunci tranzistorul va rămîne în regim de blocare. Însă curenţii electrozilor vor fi mai mari, ca în regim de blocare puternică.

11 - 11 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Ţinînd cont, că tensiunea şi au semn negativ, şi avînd în vedere că şi , relaţia (8) devine:

(14)

Substituind în (14) valoarea , găsită din (9), şi înlocuind A prin valoarea sa, obţinem:

(15)

Dacă ţinem cont de faptul că iar atunci expresia (15) se va simplifica esenţial şi va avea forma:

(16)

unde

Din (16) se vede că în regimul de blocare curentul colector are valoarea minimă care este egală cu curentul unei monojoncţiuni polarizate indirect. Curentul emitorului are semn opus şi esenţial mai mic ca curentul colector, aşa cum . Deaceea în multe cazuri el se consideră egal cu zero.

Curentul bazei în regim de blocare aproximativ este egal cu curentul colector:

. (17)Acest regim caractreizează starea de blocare a tranzistorului, în care rezistenţa sa este maximă, iar curenţii electrozilor sunt minimi. Regimul este utilizat în dispozitivele de impulsuri, unde tranzistorii funcţionează în regim de cheie electronică.

În regim de saturaţie ambele joncţiuni ale tranzistorului sunt polarizate direct datorită tensiunii aplicate din exterior. Astfel căderea de tensiune pe tranzistor () este minimă iar valoarea lui este de zeci de milivolţi. Regimul de saturaţie apare atunci cînd curentul colector al tranzistorului este limitat de către parametrii sursei de alimentare şi de schema în care este amplasat, unde el nu întrece o valoare maximă . În acelaşi timp parametrii semnalului de intrare luat astfel încît curentul emitorului este esenţial mai mare ca valoarea curentului din reţeaua colectorului: .

Atunci joncţiunea colectorului este deschis, căderea de tensiune pe tranzistor este minimală şi nu depinde de curentul emitorului. Mărimea ei la conectare normală pentru un curent mic este egală cu:

. (18)

Pentru conectarea inversoare:

12 - 12 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


(19)

În regim de saturaţie ecuaţia (12) devine falsă. Deoarece pentru trecerea tranzistorului din regimul activ în regimul de saturaţie este necesar de mărit curentul emitorului (la conectare normală) în aşa mod încît să se îndeplinească condiţia . Iar valoarea curentului , la care se începe acest regim, depinde de curentul care este determinat de parametrii circuitului în care este amplasat tranzistorul.

1.6. Ridicarea parametrilor de bază a tranzistorilor

După cum a mai fost menţionat, tranzistorul este un dispozitiv electronic cu două joncţiuni p-n ce intreacţionează între ele avînd trei sau mai multe borne de ieşire, fenomenele de amplificare ale cărora sunt determinate de fenomenele de inijecţie şi extracţie ale purtătorilor de sarcină. În fig. 1 sunt prezentate ilustrarea schematică (a) şi grafică (b) a tranzistorului de tip p-n-p distribuţia concentraţiei purtătorilor de sarcină minoritari de-a lungul structurii în stare de echilbru (c).

Cunoaştem că tranzistorul este constituit din trei regiuni: emitor (E), bază (B) şi colector (C). Joncţiunea ce se crează la frontiera E-B este numită joncţiunea emitorului, iar cea de la frontiera C-B – joncţiunea colectorului. Electroconductibilitatea bazei poate fi de tip-p sau de tip-n. Respectiv, sunt două tipuri de structură a tranzistorului bipolar: p-n-p şi n-p-n.

Principiul de funcţionare al tranzistorilor de tip p-n-p şi n-p-n este acelaşi. Deosebirea constă numai în aceea, că în tranzistorul de tip p-n-p curentul ce curge prin bază este creat de golurile, injectate din emitor, iar în tranzistorul de tip n-p-n de electroni. În regim normal de funcţionare joncţiunea emitorului este polarizată direct, iar a colectorului – indirrect.

Dacă joncţiunile colectorului şi emitorului se află la distanţă mai mare între ele (adică, dacă grosimea bazei este mai mare ca lungimea de difuzie), atunci

13 - 13 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

p pn

x

n,pE

B

C

a)

b)c)

Fig. 1

Coala


purtătorii, injectaţi de emitor, nu vor ajunge la colector, ci vor recombina în regiunea bazei.

Un atare sistem din două joncţiuni p-n se comportă la fel ca şi două diode semiconductoare, cuplate în serie. Caracteristica volt-amper (C.V.A.) a joncţiunii emitorului prezintă ramura directă a caracteristicii diodei, iar a joncţiunii colectorului –cea inversă. Proprietatea unică a tranzistorului constă anume în interacţiunea acestor două joncţiuni. În fig. 2 este prezentată distribuirea curenţilor în structura tranzistorului bipolar (a), repartizarea potenţialului de-a lungul tranzistorului (b) şi a purtătorilor de sarcină neechilibraţi în bază (c) pentru diferite valori ale curentului emiţătorului.

La cuplarea tensiunii colectorului are loc decalarea inversă a joncţiunii colectorului şi în circuitul colectorului curge un curent de valoare redusă. Acest curent este numit curent de scurgere al joncţiunii colectorului şi se notează . Curentul invers al colectorului (parametru foarte important al tranzistorului) prezintă în sine curentul prin joncţiunea colectorului la tensiunea dată, cînd circuitul este decuplat.

Cuplarea tensiunii la emitor duce la decalarea directă a joncţiunii emitorului şi apariţia curentului emitorului , care este detrminat de curentul de difuzie.

14 - 14 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

EBE CBE

EpIEpI EnI CpI

0CI

EI CI

p

p pn

x

x

Fig. 2

a)

b)

c)

Coala


Curentul de difuzie al emitorului posedă două componente: curentul electronilor şi golurilor:

.Contînd, că la tranzistor baza este săracă în purtători de sarcină majoritari

(electroni), iar regiunea emitorului posedă o concentraţie înaltă a purtătorilor de sarcină majoritari (goluri), componenta golurilor în emitor este cu mult maimare ca cea a electronilor: .

Componenta electronilor se scurtcircuitează în circuitul bazei şi nu participă la crearea curentului colectorului. Difuzia electronilor din bază în emitor se compensează cu parvenirea unui flux de noi electroni în bază din circuitul exterior. Acest lucru determină mărimea şi direcţia componentei electronilor din curentul emitorului.

Pentru circuitul bazei este componenta principială a curentului bazei. Relaţia:

este numită eficacitatea emitorului.Componenta golurilor a curentului emitorului se determină prin trecerea golurilor din emitor în bază. Golurile,injectate în bază, sub acţiunea difuziei ce tinde să egaleze concentraţia pe întreg volumul bazei, se deplassează în direcţia colectorului. Din cauză că cîmpul electric în bază este relativ mic, se poate considera, că deplasarea golurilor din emitor în colector are loc exclusiv din contul difuziei. La injectarea necontenită ( ) în bază se stabilieşte o bistribuţie corespunzătoare a concentraţiei golurilor, ceea ce determină trecerea lor prin bază. Apropiindu-se de joncţiunea colectorului, polarizată indirect, golurile, fiind purtători de sarcină minoritari, trec din bază în colector, mărind ca rezultat curentul colectorului. Deoarece trecerea golurilor din bază în colector este fără obstacole, concentraţia lor la frontiera BC este egală cu zero.

Dacă vom mări valoarea decalajului direct al joncţiunii emitorului, atunci concentraţia golurilor la emitor va creşte, iar la colector va rămîne ca mai înainte egală cu zero.

În rezultat creşte gradientul concentraţiei şi, ca urmare, creşte curentul de difuzie al golurilor spre colector. O cantitate de goluri, traversînd baza, recombină cu electronii de conductibilitate, ce aduce la mărirea numărului de electroni, parveniţi în bază din circuitul exterior. Aceasta condiţionează împărţirea curentului golurilor în două componente:

,unde este componenta de recombinare a curentului emitorului ce coincide după direcţie cu ; - componenta curentului emitorului, ce curge în circuitul colectorului.

La confecţionarea tranzistorilor bipolari baza se face subţire şi săracă în purtători de sarcină majoritari, iar suprafaţa joncţiunii colectorului – de vreo cîteva ori mai mare decît cea a emitorului. Din aceste considerente:

.

15 - 15 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Mărimea raportului:

se numeşte coeficient de transfer. Din cele de mai sus urmează, că la tranzistori mărimea , la fel ca ţi , este aproximativ egală cu unitatea. De aceea mărimea :

,

se numeşte coeficient static integral de transfer al curentului emitorului şi, de asemenea este aproximativ egal cu unitatea. Acest coeficient indică a cîta parte din curentul emitorului curge în circuitul colectorului.Legea I-a a lui Kirghhoff, aplicată la tranzistor, ne da egalitatea:

unde Utilizînd relaţia (7), obţinem:

Destul de des este utilizat coeficientul static integral de transfer al curentului bazei :

Să analizăm acum caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar cuplat în bază comună. În fig. 3 este prezentată familia de caracteristici statice de intrare şi ieşire ale tranzistorului, cuplat în BC.

Caracteristica de intrare, cînd (caracteristica nulă) este asemănătoare cu caracteristica unei diode obişnuite, cuplate la polarizare directă. La alimentarea joncţiunii colectorului cu tensiune negativă caracteristica de intrare decalează în stînga. Aceasta ne indică prezenţa în tranzistor a legăturii inverse interne. Legătura apare din cauza rezistenţei bazei.

În schema BC rezistenţa bazei este comună pentru circuitele de intrare şi ieşire. Fie că atunci pe emitorul tranzistorului ideal care dirijează curentul joncţiunii:

16 - 16 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

EI CIEnI

0IE 1EI

1CBU

0UCB

CBUEBUFig. 3

a) b)

Coala


La mărirea tensiunii pe colectorul tranzistoruluise măreşte şi În afară de aceasta se micşorează , fiindcă la mărirea tensiunii colectorului semicşorează lăţimea bazei tranzistorului. Din aceste considerente tensiunea , aplicată la emitor, la mărimea la fel se măreşte. Acest fapt explică creşterea curentului emitorului şi decalajul în stînga al caracteristicii de intrare a tranzistorului cuplat în BC.

Caracteristicile de ieşire prezintă dependenţel cînd Deşi tensiunea pe colector este negativă, caracteristicile sunt trasate, de regulă, în coordonate pozitive. Caracteristica nulă prezintă o caracteristică simplă a diodei semiconductoare polarizate indirect. La mărirea curentului emitrului caracteristica se schimbă.

E cunoscut, că la apariţia curentului emitorului curentul colectorului se măreşte cu valoarea . Curentul poate fi modelat ca un curent suplimentar al joncţiunii colectorului. Din aceste considerente pe baza (11), unde

, putem afirma, că orişice caracteristică de ieşire a tranzistorului cuplat în BC prezintă caracteristica diodei semiconductoare cu un decalaj , adică:

.Analizăm acum caracteristicile static pentru cuplarea tranzistorului bipolar

în schema emitor comun. În fig. 4 sunt prezentate C.V.A. statice de inttrare şi ieşire pentru tranzistorul cuplat cu EC. Calitativ ele sunt similar cu cele pentru BC.

Caracteristica de intrare la tensiunea colectorului, egală cu zero, trece prin punctul şi şi diferă de caracteristica diodei semiconductoare doar prin mărimea curentului, deoarece curentul bazei este mai mic decît curentul prin joncţiune ( ). La tensiuni negative caracteristicile au un decalaj la drreapta şi în jos. Acest decalaj poate fi explicat în felul următor. Fie, că tensiunea pe joncţiunea emitorului este constantă. Atunci la fel constantă va fi şi concentraţia

17 - 17 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

BI CI BnI

0IB

1BI

1CEU

0UCE

CEUBEU

Fig. 4a) b)

Coala


golurilor în apropierea emitorului. Mărimea provoacă micşorarea lăţimii bazei, adică micşorarea numărului de goluri ce se găsesc în baza tranzistorului. Din această cauză procesul de recombinare a purtătorilor de sarcină în bază este redus. Findcă electronii care i-au parte la procesul de recombinare trec prin borna bazei, curentul bazei se micşorează. Ca rezultat caracteristicile au un decalaj în dreapta.

Să explicăm acum decalajul caracteristicilor în jos. La şi tensiune negativă pe joncşiunea colectorului concentraţia golurilor în bază este mai joasă, fiindcă la frontiera cu joncţiunea colectorului eat este nulă, iar la frontieră cu joncţiunea emitorului este egală cu concentraţia de echilibru. Din aceste considerente în regiunea bazei procesul generării termice este mai rapid decît prcesul de recombinare. Electronii generaşi în bază pleacă din ea prin borna bazei, iar aceasta înseamnă, că apare curentul nîdreptat spre baza tranzistorului.

Creşterea curentului colectorului cu mărimea valorii este dirijată de micşorarea lăţimii bazei. Coeficientul de tranziţie, adică şi coeficientul de transfer, al curentului emitorului creşte. Coeficientul de transfer pentru curentul bazei în schema cu emitor comun .

2. Tranzistorul cu efect de câmp.

2.1. Parametrii de bază ai tranzistorului KП301Б.

Tranzistorul cu efect de câmp este fabricat prin metoda planară, cu p-n joncţiune, cu grilă izolată şi canal de tip p. Tensiunea pe drenă pozitivă comparativ cu sursa, iar pe grilă negativă. Masa tranzistorului nu mai mult de 1,5 grame. Parametrii electrici:

1.Curentul drenă: ID =5 mA

2. Curentul grilei: IG=0,3 nA

3. Panta caracteristicii de transfer: S=1 AV

4. Capacitatea de intrare: C11S=3,5 pF

5. Capacitatea de trecere: C12S=3,5 pF

6. Puterea maximă: Pmax=200 mW

7. Temperatura de funcţionare: T=233....358oK

18 - 18 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


2.2. Tranzistoarele cu efect de cîmp (generalităţi).

Tranzistoarele cu efct de cîmp (TEC) sunt dispozituvele electronice a căror funcţionare se bazează pe modificarea conductanţei unui canal semiconductor sub influienţa cîmpului electric.

Deplasarea purtătorilor mobili de sarcină are loc, în canal, sub influienţa tensiunii aplicate între doi electrozi numiţi drenă şi sursă, plasaţi la cele două capete ale canalului.

Sursa desemnează electrdul prin care purtătorii mobili de sarcină pătrund în canal, iar drena, electrodul prin care purtătorii mobili de sarcină sunt evacuaţi din canal.

Conform celor de mai sus, sensul deplasării purtătorilor mobili de sarcină este de la sursă spre drenă. În anumite condiţii sensul deplasării purtătorilor mobili de sarcină se inversează, fără ca funcţionarea tranzistorului să fie influienţată.

Multe tranzistoare simetrice nu-şi schimbă proprietăţile dacă drena şi sursa se inversează.

Tiplu p sau n al materialului semiconductor din care este făcut canalulu determină tipul purtătorililor mobili de sarcină, goluri, respectiv electroni şi împărţirea tranzistoarelor cu efect de cîmp în TEC cu canal p şi cu canal n.

Modificarea conductanţei canalului se realizează cu ajutorul cîmpului creat de o tensiune de comandă aplicată unui al treilea electrod numit grilă sau poartă.

Conductanţa canalului depinde de secţiunea canalului şi de numărul purtătorilor mobili de sarcină din canal.

Deoarece fenomenul conducţiei electrice este determinat numai de un singur tip de purtători şi anume de purtătorii majoritari din canal, tranzistoare cu efect de cîmp se mai numesc şi tranzistoare unipolare. Clasificarea şi simbolurile utilizate pentru tranzistoarele cu efect de cîmp sunt prezentate în fig. 1.

19 - 19 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

TEC cu regiune de trecere

TEC cu grilă izolată

Joncţiune pn ContactMetal-semicond.

Canal p Canal n

Tranzistor cu straturi subţiriTECMOS TECMN

Cu canal iniţial Cu canal indus

Canal p Canal n Canal p Canal n

Fig. 1

G

D

B

S

G

D

B

S

G

D

B

S

G

D

B

S

G

D

B

S

G

D

B

S

TEC

Coala


Tranzistoarele cu efect de cîmp se pot împărţi în două grupe. Din prima grupă fac parte TEC a căror funcţionare se bazează pe modificarea secţiunii efective a canalului.

Pentru a modifica secţiunea efectivă a canalului se utilizează proprietatea regiunii de trecere a unei joncţiuni p-n sau a unui contact metal-semiconductor de a-şi modifica lăţimea în funcţie de tensiunea de polarizare.

TEC realizate astfel se numesc tranzistoare cu efect de cîmp TECJ sau TECMS.

2.3. Tehnologia de fabricare.

Pentru faricarea tranzistorului KП301Б se foloseşte metoda planară. Din punct de vedere constructiv dispozitivele planare sunt caracterizate cu aceea că toate straturile sunt realizate pe una şi aceeaşi parte a plachetei, deaceea şi electrozii sunt plasaţi pe aceeaşi parte. Masca în formă de oxid de siliciu SiO2 , o primim prin metoda oxidării termice a suprafeţelor de siliciu, care posedă următoarele proprietăţi:4. Masca de oxid este legată organic cu suprafaţa plachetei, având un contact

trainic cu ea, ceea ce exclude pătrunderea difuzorului în locul dintre mască şi suprafaţă.

5. Grosimea măştii de oxid (aproximativ un micron) este destul pentru apărarea părţilor respective a plachetei împotriva atomilor ce difuzează.

6. Stratul d oxid în acelaşi timp cu funcţia de mascare îndeplineşte şi funcţia de apărare (înseamnă şi a n-p joncţiunii, care iese la suprafaţă) de la influienţa diferitor factori externi. În cazul, tehnologiilor de aliere şi mesa pentru asta este nevoie de a folosi metode speciale de protecţie.În fig. 2,a este prezentat modul de realizare a unui TECJ. Într-un cristal se

realizează două joncţiuni p-n satfel încît între ele să rămînă un canal îngust.Cele două regiuni exterioare ale joncţiunilor se conectează în sens invers.

Prin modificarea tensiunii de polarizare se modifică lăţimea regiunilor de trecere şi deci secţiunea efectivă a canalului.

În fig. 2,b este prezentat un TEC realizat în tehnologie planar epitaxială. Canalul este constituit din regiunea n crescut pe substratul puternic impurificat. Joncţiunile grilă-canal şi substrat-canal delimitează lăţimea canalului.

20 - 20 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


p

Cele două capete ale canalului sunt contactate constituind drena şi sursa. Pentru a se realiza contactele ohmice la sursă şi drenă, înainte de depunerea metalului se realizează prin difuzie două regiuni n+.

Substratul poate fi utilizat ca un al patrulea electrod de comandă avînd proprietăţi de comandă asemănătoare grilei. În general grila şi substratul sunt legate împreună, constituind electrodul de comandă. Dacă este nevoie de încă un electrod de comandă se utilizează tranzistoare cu două grile de comandă identice. 2.4. Procedee fizice în tranzistorul cu efect de câmp.

Tranzistorul cu efect de câmp prezintă un dispozitiv electronic în care valoarea curentului de transfer este dirijată prin modulaţia rezistenţei canalului la acţiunea tensiunii din exterior.S-a convenit ca să se noteze cu S-sursa, D-drena, G-grila.

Tranzistorul cu joncţiune p-n de sine o plachetă de semiconductor care are electroconductibilitate de un anumit tip, la capetele căruia sunt realizate două ieşiri sursa şi drena. De-a lungul plachetei este realizată o joncţiune p-n, de la care este scoasă o a treia ieşire grila. Tensiunea din exterior este aplicată astfel încât între sursă şi drenă curge un curent electric, iar tensiunea aplicată pe grilă polarizează joncţiunea în sens invers. Rezistenţa regiunii care se află în câmpul electric al joncţiunii poartă denumirea de canal şi depinde de tensiunea aplicată la grilă, reeşind din faptul că dimensiunile joncţiunii se măresc la aplicarea pe ea a unei tensiuni inverse, iar mărirea tensiunii în regiunea însărăcită de purtători de sarcină aduce la mărirea rezistenţei electrice a canalului. În aşa fel funcţionarea TEC-ului cu joncţiunea p-n dirijată se bazează pe schimbarea rezistenţei canalului din contul

D

G

S

Canaln

nn p p

S G D

B

Contactmetalic

Canal

Substrat

Izolator

n

p+

n+ n+p+

Fig. 2

21 - 21 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

G

D

B

S

S D

G

n

LSD

Coala


schimbării dimensiunilor regiunii însărăcite de putători de sarcină, care are loc sub influienţa tensiunii inverse apicate pe grilă.

Electrodul de la care încep mişcarea purtătorii de sarcină majoritari în canal se numeşte sursă, iar electrodul spre care se mişcă purtătorii de sarcină se numeşte drenă. Dacă într-o plachetă de semiconductor, de exemplu de tip-n, sunt formate zone de electroconductibilitate de tip-p, atunci la aplicarea tensiunii pe joncţiunea p-n, care o polarizează invers se formează regiuni însărăcite în purtători de sarcină majoritari. Rezistenţa semiconductorului între electrozii sursei şi drenei se măreşte deoarece curentul trece printr-un canal îngust între joncţiuni. Schimbarea tensiunii grilă-sursă aduce la schimbarea dimensiunii zonei de sarcină spaţială (dimensiunilor joncţiunii p-n), adică la schimbarea rezistenţei canalului. Canalul poate fi pe deplin închis şi atunci rezistenţa între sursă şi drenă va fi foarte mare (zeci de M ). Tensiunea dintre grilă şi sursă la care curentul atinge valoarea cea mai mică (ID0) se numeşte tensiune de blocaj a TEC-ului.

Joncţiunea care separă grila de canalul drenă-sursă trebuie polalrizată invers pentru ca dioda pe care o constituie să fie blocată. Curenţii de grilă sunt în cazul unei polarizări inverse cuprinşi între 1 pA şi 10 nA. Rezistenţa de intrare este cuprinsă între şi .

Polarizarea directă a joncţiunii care separă grila de canalul drenă-sursă trebuie evitată, deoarece ar produce o micşorare nesmnificativă a regiunilor de trecere simultan cu o creştere pronunţată a curentului de grilă şi a puterii necesare comenzii.

Tranzistorii cu efect de cîmp cu regiune de trecere se caracterizează prin faptul că în absenţa unei tensiuni de comandă, aplicarea unei tensiuni la capetele canalului are ca efect trecerea prin canal a unui curent relativ mare.

Modificarea conductanţei canalului se face prin extinderea regiunilor de trecere adică tensiunea de comandă produce o micşorare a conductanţei canalului şi deci o micşorare a curentului care trece prin canal.

2.5. Caracteristicile statice. Caracteristicile statice ale tranzistorului cu efect de cîmp reprezintă modul

de variaţie a curentului de drenă în funcţie de tensiunile grilă-sursă şi drenă-sursă. Cele mai utilizate caracteristici statice sunt caracteristicile de ieşire şi de transfer.

2.5.1. Caracteristicile de ieşire.Caracteristicile de ieşire prezentate în fig. 3. reprezintă dependenţa

curentului de drenă în funcţie de tensiunea drenă-sursă pentru diferite valori ale tensiunii grilă-sursă.

22 - 22 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Pentru toate tipurile de TEC caracteristicile de ieşire sunt asemănătoare şi pot fi împărţite în trei regiuni:

1. Regiunea liniară . Pentru valori mici ale tensiunii drenă-sursă, curentul de drenă creşte proporţional cu tensiunea. În apropierea oridinii, caracteristicile sunt aproape liniare. În această regiune, tranzistorul poate îndeplini rolul de rezistenţă variabilă sau comutator. Caracteristicile de ieşire pentru valori mici ale tensiunii drenă-sursă sunt prezentate în fig. 8.

Se observă că sensul de trecere a curentului se poate inversa, adică drena şi sursa îşi pot schimba rolurile.

Analizînd caracteristicile prezentate în fig. 4 se poate trage concluzia că pentru valori mici ale tensiounii drenă-sursă caracteristicile sunt aproximativ liniare. Deoarece caracteristicile sunt cu atît mai liniare cu cît tensiunea drenă-sursă este mai mică, în practică se lucrează cu valori ale tensiunii drenăsursă de ordinul sutelor de milivolţi.

iC

IDS

UGS

UGS

UGS

UGS

0

-2

-4

-6

0UDS

UDS

Liniar SaturaţieUDS =UGS-Up

Fig. 3

0 2

2

4

4

6

6

8

8

10V

10

12

iD

UDS

-6V

-4V

-2V

0V

+2V

UDS=UGS-Up

mA

ΔUDS=1V

23 - 23 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


2. Regiunea de saturaţie . Curentul de drenă rămîne aproape constant chiar la creşteri relativ mari ale tensiunii drenă-sursă.

Separarea regiunii de saturaţie de regiunea liniară se poate face aproximînd curentul de drenă cu ajutorul relaţiei:

.

Curentul reprezintă curentul drenă-sursă pentru sau .Se ia valoarea în cazul tranzistorilor care conduc în lipsa

tensiunii de grilă, adică TEC cu regiune de trecere şi TECMIS cu canal indus.

Relaţia (2) este reprezentată punctat în planul caracteristicilor de ieşire.

3. Regiunea de străpungere . La tranzistorii cu efect de cîmp la care substratul este conectat cu sursa, creşterea tensiunii drenă-sursă peste o anumită valoare (deenumită tensiune de străpungere, ) produce o multiplicare în avalanşă a purtătorilor desarcină. Fenomenul este reversibil în cazul în care creşterea curentului de drenă este limitată în mod corespunzător de elementele de circuit exterioare.

Din caracteristicile de ieşire se poate determina rezistenţa drenă-sursă sau conductanţa de ieşire ( respectiv ):

Pentru exemplul prezentat se obţine:

.

2.5.2. Caracteristicile de transfer.Caracteristicile de transfer reprezintă variaţia curentului de drenă în funcţie

de tensiunea grilă-sursă pentru diferite valori ale tensiunii drenă-sursă. Caracteristicile de transfer ale unui TECMIS cu canal iniţial de tip n

(SM103) sunt prezentate în fig. 5.

0,5 1 1,5-0,5-1-1,5

1234

-1-2-3-4

-5

UGS=0V

-1V

-2V

-2,5V

uDS, V

iD

mA

Fig. 4

24 - 24 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


-6 -4 -2 0 2 V0

0,25V0,5V

2

4

6

8

10

12

V

2V

4V

8V

ΔID=0,875mA

ΔUGS=0,5V

iD

uGS

Se observă că acest tranzistor poate lucra atît în regim de sărăcire ( ), cît şi în regim de îmbogăţire ( ).Pentru tensiuni mici caracteristica diferă, apropiindu-se pe măsură ce tensiunea drenă-sursă creşte. În regim de saturaţie, datorită influienţei slabe a tensiunii drenă-sursă, este suficientă să se traseze o singură caracteristică pentru o valoare a tensiunii drenă-sursă mai mare decît tensiunea de saturaţie.Această comportare fiind comună tuturor tipurilopr de TEC caracteristicile de transfer în regiunea de

saturaţie se pot reprezenta ca în fig. 6.

Caracteristica de transfer în regim de saturaţie poate fi aproximată cu ajutorul relaţiei:

Cu ajutorul caracteristicilor de transfer se poate determina panta caracteristicii sau transconductanţa, definite ca:

Pentru exemplul considerat se obţine:

În regim de saturaţie această pantă se poate calcula utilizînd relaţia (4).

Panta S se măsoară în miliamperi pe volt, avînd valori cuprinse între şi . În cazul tranzistoarelor de mică putere, valorile sunt cuprinse între 0,2 şi

.

iD iD

Up-Up 2Up UGS UGS-2Up Up-Up

IDS IDS

TECMIS TECMISTECMISCanaliniţial

CanaliniţialCanal

indus

TECJ TECJ

0 0

Canal n Canal pFig. 6

25 - 25 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Caracteristica de trnsfer depinde de temperatură după cum se vede din fig.7. Este de remarcat faptul că există un punct în care curentul de drenă nu depinde de temperatură (aşa-zisul punct Z).Un alt parametru al tranzistorilor cu efect decîmp este factorul de amplificare static, definit cu ajutorul relaţiei:

2.6. Schemele echivalente a TEC-ului.

Tranzistoarele cu efect de cîmp pot fi utilizate în trei conexiuni:sursă comună, drenă comună şi grilă comună.

Pentru a utiliza rezistenţa grilă-canal foarte mare (unul din principalele avantaje ale tranzistorilor cu efect de cîmp ) este necesar ca grila să constituie borna de intrare.

Conexiunea cu grilă comună va fi deci foarte puţin utilizată.Ca amplificator, tranzistorul cu efect de cîmp lucrează aproape tot timpul în

regim de saturaţie.În cele ce urmează se vor analiza numai tranzistorii cu efect de cîmp cu

canal n. Pentru tranzistorii cu canal p rezultatele sunt valabile dacă se inversează polaritatea surselor. Diodele şi condensatorele electrolitice existente în circuit trebuie de asemenea inversate.

Conexiune sursă comună. Acest circuit prezentat în fig. 8. este analog conexiunii emitor comun a tranzistorului bipolar. Deosebirea constă în rezistenţa mare grilă-canal adică în lipsa curentului de intrare.

Alegerea punctului de funcţionare constă în alegerea şi menţinerea constantă a tensiunii grilă-sursă (uGS).

26 - 26 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Z

20°C60°C

120°C

iD

uGS

Fig. 7

Coala


Presupunînd că s-a ales o tensiune grilă-sursă UDS, din carasterici rezultă un curent de drenă ID şi o tensiune drenă-sursă UDS .

Ţinînd cont că tranzistorul lucrează în regim saturat este valabilă relaţia (4). Aplicînd la intrare o tensiune sionusoidală de amplificare se poate scrie:

.Cu ajutorul teoremei Kirchhoff aplicată circuitului drenă-sursă se obţine

relaţia :

Efectuînd calculele se obţine:

Se constată că semnalul sinusoidal este distorsionat, deoarece a apărut şi armonica a doua (termenul în cos2ωt). Definind ca factor de distorsiune pentru armonica a doua (notat d2) raportul dintre amplitudinile celor două armonici se obţine:

.

Pentru ca acest factor să fie mai mic de 1% este necesar ca amplitudinea semnalului de intrare să satisfacă inegalitatea:

considerînd şi se obţine Amplificarea în tensiune a semnalului este:

Deşi calculul făcut este aproximativ, se poate trage concluzia că tranzistorii cu efect de cîmp avînd o caracteristică aproximativ pătratică introduc distorsiuni mai mici decît tranzistorii bipolari.

GS

+E

u1u2

DG

u1gmugs rDS RD u2

Fig. 8

27 - 27 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Factorul de distorsiuni depinde şi de punctul de funcţionare, scăzînd odată cu micşorarea tensiunii grilă-sursă.

Diferenţiind relaţiile:

se obţine:

Ţinînd seama de definiţiile pantei şi a rezistenţei interne şi eliminînd curentul se obţine:

Amplificarea în tensiune va fi:

Cu ajutorul relaţiilor (17) şi (18) se poate construi circuitul echivalent pentru amplificator, prezentat în fig. 9. Circuitul din fig.9,a este valabil numai la frecvenţe mijlocii; în cazul frecvenţelor joase şi înalte este necesar să se ţină sema de capacităţile de cuplare (fig. 9,b)şi de capacităţile interne ale tranzistorului (fig.9,c). Valori uzuale pentru elementele de circuit sunt date în tabelul 1.

~

RG

u1 R1 ugs

gmugs

rDS u2

G D

S

~

RG

u1 R1

ugs gmugs

rDS u2

G D

S

C2

~

RG

u1 R1

gmugs

rDS u2

G D

S

Cgs

Cgd

a)

b)

c)

Fig. 9

28 - 28 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Două circuite de polarizare pentru conexiunea sursă comună sunt prezentate în fig. 10.

În fig. 10,a curentul de drenă produce pe rezistenţa R2 o cădere de tensiune

Circuitul se poate utiliza pentru polarizarea tranzistorilor cu efect de cîmp cu regiune de trecere şi a tranzistorilor cu grilă izolată şi canal iniţial. Condensatoarele C1 şi C3 sunt condensatoare de cuplaj cu generatorul şi respectiv consumatorul.

Condensatorul C2 are rolul de a scurtcircuita rezistenţa R2, punînd la masă componenta alternativă a curentului. Pentru a-şi îndeplini rolul, reactanţa capacitivă a condensatorului C2 la frecvenţa cea mai joasă trebuie să fie mult mai mică decît R2:

Dimensionarea circuitului se face su ajutorul relaţiilor:

Condiţia (23) trebuie îndeplinită pentru a fi siguri că tranzistorul lu crează în regim saturat. Valoarea rezistenţai este limitată superior de căderea de tensiune produsă de curentul de intrare. Aceasta cădere de tensiune trebuie să fie mult mai mică decît . Deoarece curentul de intrare este foarte mic (nA) valorile uzuale ale rezistenţei sunt de ordinul megaohmilor.

Tranzistorii TECMIS cu canal indus de tip n necesită o tensiune de polarizare pozitivă faţă de sursă.

Această tensiune s-ar putea obţine uşor cu ajutorul unui divizor de tensiune ale sursei de alimentare a drenei, însă variaţiile de tensiune ale sursei s-ar transmite pe grilă şi ar apărea la ieşire amplificate.

Un mojntaj mai avantajos este prezentat în fig. 10,b. Prin rezistenţa se obţine În general această valoare este avantajoasă, deoarece rezultă

Impunînd curentul , se obţine din caracteristică şi se calculează :

+E

C2

C3C1

R2R1

R3

+E

C2

C3

C1

RD

R1

R2

Fig. 10

29 - 29 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


.

Condensatorul are rolul de a împiedica transmiterea semnalelor alternative pe grilă.

Pentru ambele circuite rezistenţa de intrare este egală cu .Conexiunea cu drenă comună. Circuitul cu drenă comună (fig. 15) sau

repetor pe sursă este asemănător circuitului cu colector comun sau repetor pe emitor de la tranzistorii bipolari.

Circuitul echivalent din fig. 11,b se poate deduce cu uşurinţă din circuitul echivalent prezentat în fig. 9.

Amplificarea în tensiune se poate calcula cu ajutorul relaţiilor:

Amplificarea este subunitară, iar tensiunea de ieşire este în fază cu tensiunea de intrare. Rezistenţa de intrare ( ) este egală cu:

Rezistenţa de ieşire ( ) se poate determina din circuitul echivalent:

Pentru polarizarea tranzistorului cu efect de cîmp ca repetor pe sursă se pot utiliza circuite prezentate în fig. 12.

În circuitul din fig. 12,a, este egală cu , căderea de tensiune pe rezistenţa fiind egală cu Dacă această tensiune este prea mică, se poate utilioza un divizor de tensiune, însă acest divizor micşorează rezistenţa de intrare.

+E

u1 u2RS

DG

u1

gmugs

rDS

u2

rGS

RS

Fig. 11

30 - 30 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Pentru tranzistorii TECMIS cu canal indus este indicat circuitul din fig. 12,b. Căderea de tensiune pe rezistenţa este , iar tensiunea drenă-sursă va fi egală cu . Această tensiune asigură funcţionarea în regim de saturaţie, deoarece

.

2.7. Utilizarea tranzistorului cu efect de câmp CCCCC în scheme electronice.

Voi prezenta mai jos o parte din circuitul în care se utilizează tranzistorul cu efect de câmp KП301Б:

Amplificator de audio frecvenţă.Tranzistorul VT6 este de tipul KП301Б. Acest tranzistor este folosit pentru a stabiliza curentul colector al tranzistorului VT3.

+E

C2C1

RSR1 u2u1

+E

C3

C1

RS

R1

u1 u2

Fig. 12

31 - 31 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


3. Rezolvarea problemelor.

3.1. Problema 1. Conform caracteristicilor volt-amperice statice ale tranzistorului bipolar să se efectuieze următoarele calcule grafico-analitice pentru etajul de amplificare:

a) să se traseze dreapta de sarcină;b) să se traseze pe familia de caracteristici statice diagramele curenţilor şi

tensiunilor în timp şi să se determine dacă pot apărea distorsiuni neliniare a semnalului amplificat;

c) pentru regimul liniar de amplificare (fără distorsiuni) să se calculeze rezistenţa de intrare şi de ieşire a etajului, coeficientul de amplificare după curent ki, tensiune kU şi putere kP. Să se determine puterea utilă pe sarcină PR~ şi puterea împrăştiată pe colectorul tranzistorului.

Se dă:EC=60 V; RS=3 k; IB=0,075 mA; IBm=0,075 mA.Rezolvare: Pe caracteristica de ieşire trasăm dreapta de sarcină prin punctele:

(EC,0) şi) (0, ) adică (60 V,0) şi (0 ;20 mA)

32 - 32 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


După nominalele date etajul de amplificare posedă distorsiuni nelimiare.

33 - 33 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


3.2. Problema 2.

Conform caracteristicilor volt-amperice statice ale tranzistorului bipolar şi parametrilor lui la frecvenţă înaltă să se efectuieze următoarele calcule pentru etajul de amplificare:

a) să se calculeze parametrii h şi să se construiască shema echivelentă a dispozitivului analizat la frecvenţă joasă;

b) să se calculeze parametrii fizici ai schemei echivalente la frecvenţă înaltă.

Din cauză că după nominalele date UCE=50 (V) şi IC=40 (mA) nu pot fi soluţion-ate atunci vom considera datele iniţiale ca în problema 1, pentru care am ales deja punctul de funcţionare:IB=75 A; UCE=50 V prin urmare: IB=750,2=15 (A) UCE=500,2=10 (V)

Figura 1. Caracteristicile de ieşire şi intrare pentru tranzistorul KT601A.

Din grafic determinăm II

C=2(mA); UBE=0,02 (V); IC=1(mA); Determinăm parametrii hibrizi h:

34 - 34 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Schema echivalentă a tranzistorului la frecvenţă joasă este:

Trantistorul bipolar KT601A posedă următorii parametri la frecvenşă înaltă: 2; f=20 MHz; CC=15 pF; CE=75 pF; C=600 ps; IC=6 mA; =3. Determinăm valorile elementelor fizice ale schemei echivalente a tranzistorului la frecvenţe înalte:

;

;

;

;

;

;;

;

Schema echivalentă a tranzistorului bipolar la frecvenţe înalte:

35 - 35 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


3.3. Problema 3. Conform caracteristicilor volt-amperice statice ale tranzistorului bipolar să se determine parametrii etajului de amplificare în regim de recuplare a puterii:

a) să se traseze dreapta de sarcină;b) să se determine tensiunea de rest a cheii deschise Urest, curentul de intrare şi

puterea necesară pentru a o deschide.

Сaracteristicile de ieşire şi intrare pentru tranzistorul bipolar KT601.

Rezolvare: Pe caracteristica de ieşire trasăm dreapta de sarcină şi detetminăm Urest=4 (V)

;

;

;

UBEcupl=0,38 (V)-din grafic.

.

3.4. Problema 4.

36 - 36 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Conform datelor din îndrumare să se traseze carcteristicile statice pentru tranzistorul cu efect de câmp şi să se efectuieze următoarele calcule grafo-analitice pentru etajul de amplificare:

a) să se traseze dreapta de sarcină;b) să se traseze diagramele curenţilor şi tensiunilor în timp şi să se determine

dacă pot apărea distorsiuni ale semnalului amplificat;c) pentru regimul liniar de amplificare (fără distorsiuni) să se determine

rezistenţa de intrare şi de ieşire a dispozitivului analizat şi să se calculeze volorile numerice pentru coeficientul de amplificare după curent ki, tensiune kU şi putere kP.

Date iniţiale:ED=-20 (V); ID0=5 (mA);UDS0=-10 (V); UGsmax=3 (V);Ubloc=-2,5 (V); IDmax =1,5 (mA);

Pimp=130 (mW);

Rezolvare:Ecuaţia caracteristicii căutate are forma:

;

;

Folosind ecuaţia primită completăm tabelul:

După datele din tabel trasăm caracteristica de transfer:

-ID, mA 0 0,075 0,11 0,32 0,62 1

UGS, V -2,5 -2 -1 0 1 2

37 - 37 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Figura 1.Caracteristica de transfer şi caracteristica de ieşire.

Trasăm dreapta de sarcină ştiind că :ED=-20 V şi RS=2,5 k primim punctele (-20 ; 0) şi (0 ; 810-3)

;

;

Utilizând datele obţinute putem calcula următorii parametri ai tranzistorului:;

;

;;

3.5. Problema 5.

Conform carcteristicilor statice ale tranzistorului cu efect de câmp şi parametrilor lui la frecvenţă înaltă să se calculeze:

38 - 38 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


a) parametrii schemei echivalente (cu construirea ei concomitentă pentru frecvenţă joasă);

b) parametrii schemei echivalente (cu construirea ei concomitentă pentru frecvenţă înaltă);

c) componenta activă a conductibilităţii de intrare şi modulul pantei dispozitivului analizat la frecvenţa de 100 MHz.

Date iniţiale:ID0=8,4 mA; UDS0=7 (V);CGS=7 pF; CGD=1 pF;RG=50 ; Rezolvare:ID0=0,28,410-3 (mA)=1,6810-3 (mA);UDS0=0,27 (V)=1,4 (V);

;

;

Prezentăm schema echivalentă la frecvenţe joase a tranzistorului cu efect de câmp:

Cu ajutorul parametrilor tranzistorului la frecvenţe înalte putem determina elementele schemei echivalente la frecvenţă înaltă:

Calculăm pentru frecvenţa de 100 MHz valoarea:;

;

.

3.6. Problema 6.

Conform carcteristicilor statice construite ale tranzistorului cu efect de câmp să se efectuieze calculul proprietăţilor tranzistorului în regim de rezistor variabil:

a) să se calculeze caracteristica ;

39 - 39 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


b) să se calculeze coeficientil de amplificare după putere pentru regulatorul de putere montat pe baza tranzistorului cu efect de câmp.

Conform caracteristicii statice construite a tranzistorului cu efect de câmp (după rezolvarea problemei 4.), vom calcula caracteristica R=f(UDS);Aflăm punctele de blocare a tranzistorului :

;punctul 1 avem: ; ;punctul 2 avem: ; punctul 3 avem: ; punctul 4 avem: ; .Determinăm patru valori ale rezistenţei tranzistorului în regim ohmic:

;

;

;

;

Cu ajutorul punctelor obţinute trasăm caracteristica: R=f(UGS):

Figura 1. Caracteristica regulatorului.

Amplificarea maximă a regulatorului:

Conform sarcinii primite de la profesor să se proiecteze un etaj de amplificare după putere în baza tranzistorului bipolar în două variante:cu şi fără transformator.

a) Sarcină:

Să se proiecteze un etaj de amplificare în audiofrecvenţă cu tranzistor bipo-

lar.

Date iniţiale: Uieş. max=3V RS=600

40 - 40 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


Fj=100Hz Mj=1.25 EC=9V

Calculul amplificatorului de tensiune

1. Alegem tipul tranzistorului conducîndu-ne de următoarele:

UCEadmis≥(1,1...1,3)EC=(1.1.....1.3)*9V=(9,9...11,7)

ICadmis≥2IS.max=2Uieş max/RS=6/600 =0,01A

PCadmis.=ICadmis*UCeadmis=0,01*11=0,11 W

2. IC0=(1,05...1,20) IS.max=(5,25....6)mA

Urest =1

UCE0= Urest+Uieş max=1+3=4V

3.După datele acestea am ales tranzistorul KT 354A.

4. Determinăm valorile nominale pentru RC şi RE

Rtot=RC+RE, Rtot=EC/I=9/10,8*10-3=833

Rtot =(0.15...0.25)* RC

RC=

RE= Rtot- RC=156

Iintr.min= IB.min=Ic.min/βmin=2,4mA/90=0.026mA

Iintr.max = IB.max=Ic.max/βmax=9,6mA/200=0,048mA

Iintr.med= IB.med=(IBmax-IBmin)/2 = 0.011mA

5. Determinăm rezistenţa de intrare a etajului de amplificare

unde

6. Determinăm nominalele rezistoarelor de divizare

41 - 41 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


7. Determinăm coeficientul de stabilitate în funcţionare a etajului

8. Determinăm capacitatea condensatorului de divizare

Rieş.=RC+RS=677 +600 =1277

9. Determinăm capacitatea condensatorului CE

10. Determinăm valoarea coeficientului de amplificare a etajului după tensi-

une:

b)Sarcină:

Să se proiecteze un etaj de amplificare după putere în baza tranzistorului

bipolar cu transformator .

Date iniţiale: Pieş.=2,0W RS=6 Fj=110 Hz

Mj=1,15 EC=12 V

Calculul amplificatorului de tensiune

1.Determinăm puterea ce va fi împrăştiată pe tranzistorul selectat:

P0=

-puterea cedata de tranzistor

P0=2,5/0,9=2,77W

2.Determinam valorile ISmax si Uies.max.

42 - 42 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


ISmax.* Uies.max= Pies ISmax.* Uies.max. / Rs = Pies / Rs

I Smax = Pies / Rs

ISmax= =

Conform datelor noastre am ales tranzistorul KT809A.

ICo=(1.05…1.20)ISmax=(0.6…0.69)AICmin=0.38AICmax=0,98AIBmax=64mAIBmin=24mAIBm=20mAUBEmax=0,9VUBEmin=0,8VUBEm=0,05V

Toate aceste valori sunt luate din grafic.

Deci calculăm rezistenta rezistorului după curent alternativ.

3.Calculam rezistenta din circuitul emitorului Re:

RE= -valoarea tensiunii care cade pe rezistenta .

RE=1, 5V/0.65A=2,3

4. Determinam capacitatea condensatorului ce şuntează rezistorul RE:

5.Rezistenta divizorului de tensiune după curent alternativ:

;

43 - 43 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


6. Determinăm coeficientul de amplificare al etajului după putere

7.Determinam rezistenta sarcinii colectorului dupa curent alternativ si coe-

ficientul de transformare pentru transformatorul de putere.

8.Determinăm rezistenţa înfăşurării transformatorului primar

9.Inductanta transformatorului primar

4. Bibliografie.

1. Sandu D. „Electronica fizică şi aplicată” – Iaşi: Editura „A.I. Cuza”,1994.

2. Гусев В.Г. „Электроника” – М.:Высшая школа, 1991.

44 - 44 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Coala


3. Дулин В.Н. „Электронные приборы” – М.:Энергия, 1977.

4. Cтепаненко И.П. „Основы теории транзисторов” – М.:Энергия, 1977.

5. Vasilescu G. „Electronica” 1993.

45 - 45 -4/19/20234/19/2023UTM 525.3 13 TLC-122

Curat(3) UTM PROIECT

Documents

Transcript of Curat(3) UTM PROIECT