ترانزیستور BJT

1. Amirkabir University of TechnologyComputer Engineering & Information Technology Department ترانزیستور BJT دکتر سعید شیری فصل پنجم از: & کتابMICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e Sedra/Smith

2. مقدمه • دراین فصل المان سه ترمینالی دیگری با نام ترانزیستور پیوند دو قطبی (Bipolar Junction Transistor) و یا BJT را بررسی میکنیم. • BJT در سال 1948 اختراع شده و با معرفی دستگاه هائی که با ترانزیستور نیمه هادی کار میکردند انقلابی در دنیا پدید آورد. ترانزیستورBJT برای سالهای متمادی انتخاب اول برای انواع دستگاههای دیجیتال و آنالوگ بود اما در دهه اخیر بسرعت با MOSFET جایگزین گشته است. • BJT امروزه در مدارات آنالوگ و بخصوص فرکانس بالا کاربرد زیادی دارد.

3. ساختار ترانزیستور BJT • یک ترانزیستور BJT از نوع npn از سه قطعه نیمه هادی متصل به هم تشکیل میشود: • یک نیمه هادی n با نام امیتر • یک نیمه هادی p با نام بیس • یک نیمه هادی n با نام کلکتور در ناحیه اتصال نیمه هادی ها یک پیوندpn تشکیل میشود. Figure 5.1 A simplified structure of the npn transistor.

4. ساختار ترانزیستور BJT • یک ترانزیستور BJT از نوع pnp از سه قطعه نیمه هادی متصل به هم تشکیل میشود: • یک نیمه هادی p با نام امیتر • یک نیمه هادی n با نام بیس • یک نیمه هادی p با نام کلکتور Figure 5.2 A simplified structure of the pnp transistor.

5. طرز کار ترانزیستور npn درناحیه فعال • در ناحیه فعال پیوند بیس- امیتر با اعمال ولتاژ خارجی درگرایش مستقیم بایاس شده و پیوند بیس-کلکتور در گرایش معکوس بایاس میشود. Figure 5.3 Current flow in an npn transistor biased to operate in the active mode. (Reverse current components due to drift of thermally generated minority carriers are not shown.)

6. عبور جریان • گرایش مستقیم پیوند بیس-امیتر باعث میشود تا یک جریان نفوذی الکترونها را از ناحیه امیتر به بیس کشانده و متقابلا حفره ها را از بیس به امیتر جذب نماید. • معمولا نسبت ناخالصی امیتر بسیار بیشتر از بیس در نظر گرفته میشود تا نسبت جریان الکترون به حفره بیشتر باشد. • الکترونهائی که از پیوند عبور کرده و وارد بیس میشوند در بیس بعنوان ناقل اقلیت محسوب میشوند که غلظت آنها در مرز امیتر بیشتر و در مرز کلکتور کمتر خواهد بود. در مرز امیتر این غلظت برابر خواهد بود با: • تجمع الکترونها در بیس باعث بوجود آمدن یک جریان نفوذی به سمت کلکتور میشود. • البته تعدادی از الکترونها در بیس با حفره ها ترکیب میشوند که باعث میشود تا جریانی که به کلکتور میرسد کمتر از جریانی باشد که از امیتر می آید.

7. جریان کلکتور • بعلت اینکه ولتاژ کلکتور مثبت است الکترونهائی که به مرز بیس و کلکتور میرسند توسط این ولتاژ جذب شده و از ناحیه تخلیه کلکتور-بیس عبور کرده و به ناحیه کلکتور میرسند. • این جریان تقریبا برابر با جریان بوجود آمده در ناحیه بیس خواهد بود: • دقت شود که مقدار جریان ic مستقل از ولتاژ کلکتور-بیس است. فقط باید ولتاژ کلکتور مثبت باشد تا پیوند کلکتور-بیس در گرایش معکوس قرار گیرد.

8. جریان بیس • جریان بیس دارای دو مولفه است: • یکی حفره هائی که از بیس وارد امیتر میشوند: • و دیگری جریانی که باید از بیرون تامین شود تا جبران حفره هائی که با الکترونهای جمع شده دربیس ترکیب میشوند را بنماید. • از مقایسه جریان بیس با جریان کلکتور به یک رابطه مهم در ترانزیستور میرسیم: • مقدار ضریب b برای یک ترانزیستور بخصوص ثابت بوده و در حد 50 تا 200 میباشد. این ضریب را بهره جریان امیتر مشترک مینامند.

9. جریان امیتر • از آنجائیکه جریانی که وارد ترانزیستور میشود با جریانی که از آن خارج میشود برابر است داریم: • و لذا: • و با تغییراتی:

10. مدل ترانزیستور در ناحیه فعال • دیدیم که در ناحیه فعال یعنی وقتی که پیوند بیس-امیتر در گرایش مستقیم قرار دارد ولتاژ VBE باعث عبور جریانی از کلکتور میشودکه مقدار آن بطور نمائی با ولتاژ بستگی دارد. • این جریان ازولتاژ VCB مستقل است. لذا کلکتور ترانزیستور را میتوان بصورت یک منبع جریان در نظر گرفت. • در این حالت جریان بیس ضریبی از جریان کلکتور است. • از اینرو میتوان مدل ترانزیستور را دراین ناحیه بصورت زیر در نظر گرفت. این مدل در واقع یک منبع جریان غیر خطی کنترل شونده با ولتاژ است. Figure 5.5 Large-signal equivalent-circuit models of the npn BJT operating in the forward active mode.

11. ساختار ترانزیستور • در عمل ناحیه کلکتور مطابق شکل زیر ناحیه امیتر را بطور کامل در برمیگیرد تا بتواند تمامی الکترونهای نفوذی به بیس را جمع کند. • بعلت نامتقارن بودن امیتر و کلکتور نمیتوان با عوض کردن آنها به عملکرد مشابهی رسید. Figure 5.6 Cross-section of an npn BJT.

12. علائم مداری • ترانزیستور با علامت مداری زیر نشان داده میشود. جهت پیکان علاوه بر مشخص نمودن جهت جریان در امیتر جهت جریان را نیز مشخص مینماید. Figure 5.13 Circuit symbols for BJTs.

13. ولتاژ لازم برای بایاس کردن ترانزیستور • شکل زیر نحوه اعمال ولتاژ به ترمینالهای ترانزیستور جهت قرار دادن آن در ناحیه فعال را نشان میدهد. توجه شود که برخلاف MOSFET که جریان گیت آن صفر بود در BJT جریان بیس صفر نیست از اینرو Figure 5.14 Voltage polarities and current flow in transistors biased in the active mode.

14. مثال • برای ترانزیستور شکل زیر بوده و مقدار VBE=0.7 در جریان ic=1mA است. مدار را بنحوی طراحی کنید که وقتی ولتاژ کلکتور 5 ولت است جریان آن 2mA شود. Figure 5.15 Circuit for Example 5.1.

15. پاسخ • برای ولتاژ VC=+5V پیوند کلکتور بیس در گرایش معکوس قرار داشته و لذا ترانزیستور در ناحیه فعال قرار خواهد گرفت. • مقدار مقاومت RC برابر خواهد بود با: • مقدار ولتاژ VBE برای جریان ic=2mA از رابطه زیر بدست می آید:

16. نمایش گرافیکی مشخصه ترانزیستور • مشخصه درشکل زیر نشان داده شده است. • برای VBE <0.5V جریان بسیار ناچیز است. • در اغلب کاربردها VBE در حد 0.7V در نظر گرفته میشود. • مقدار جریان با تغییر درجه حرارت تغییر اندکی میکند. Figure 5.17 Effect of temperature on the iC–vBE characteristic. At a constant emitter current (broken line), vBE changes by –2 mV/°C. Figure 5.16 The iC –vBE characteristic for an npn transistor.

17. رابطه جریان و ولتاژ کلکتور برای مقادیر VCB=-0.4 نیزپیوند هنوز وارد ناحیه هدایت نشده است. جریان شیب اندکی دارد با افزایش VCB از حدی ترانزیستور دچار شکست میشود. Figure 5.18 The iC–vCB characteristics of an npn transistor.

18. رابطه جریان و ولتاژ VCE • با افزایش ولتاژ VCE جریان Ic هم اندکی تغییر میکند. شیب این منحنی را میتوان بصورت یک مقاومت نشان داد. • در صورتی که ولتاژ VCE از حدود 0.4 کمتر شود ترانزیستور وارد ناحیه اشباع میشود. Figure 5.19 (a) Conceptual circuit for measuring the iC–vCE characteristics of the BJT. (b) The iC–vCE characteristics of a practical BJT.

19. مدار معادل ترانزیستور در آرایش امیتر مشترک Figure 5.20 Large-signal equivalent-circuit models of an npn BJT operating in the active mode in the common-emitter configuration.

20. نواحی کاری ترانزیستور • در فصلهای قبل دیدیم که هر پیوند دارای سه ناحیه کاری مختلف است: • ناحیه شکست چندان مطلوب نبوده و از آن اجتناب میشود. پس با در نظر گرفتن دو ناحیه برای هر یک از پیوند های ترانزیستور میتوان برای آن 4 ناحیه کاری مختلف در نظر گرفت. با توجه به مطلوب نبودن ناحیه فعال معکوس ترانزیستور فقط در سه ناحیه کار خواهد کرد. 1. forward biased 2. reverse biased 3. breakdown

21. ترانزیستور در ناحیه قطع • در ناحیه قطع هر دو پیوند در حالت گرایش معکوس قرار دارند و داریم: • در این ناحیه هیچ جریانی از ترانزیستور عبور نخواهد کرد. VE-VB=VBE <.5v , VC-VB =VCB > 0

22. ترانزیستور در ناحیه اشباع • در این ناحیه هر دو پیوند ترانزیستور بصورت گرایش مستقیم قرار میگیرند: • از اینرو در پیوند کلکتور-بیس علاوه بر جریان دریفت مولفه بزرگی از جریان نفوذی نیز بوجود می آید که با جریان دریفت مقابله میکند. • این امر باعث میشود تا جریان ic کمتر از مقدار آن در ناحیه فعال گردد. یعنی در این ناحیه داریم: یا

23. اشباع ترانزیستور • وقتی که هر دو پیوند ترانزیستور در حالت هدایت باشند، ترانزیستور وارد ناحیه اشباع خود میگردد. در اینحالت رابطه برقرار نمی باشد و ولتاژ VCE در حدود 0.2v باقی خواهد ماند. مدار معادل زیر را میتوان برای این ناحیه بکار برد:

24. ترانزیستور BJT بعنوان تقویت کننده • ایده اصلی استفاده از ترانزیستور بعنوان تقویت کننده بر این پایه است که درناحیه فعال تغییرات ولتاژ VBE باعث تغییر در مقدار جریان کلکتور Ic میشود. • بنا براین میتوان از آن بعنوان یک تقویت کننده transconductance استفاده نمودکه با قرار دادن مقاومت RC درمسیر جریان کلکتور میتوان به یک تقویت کننده ولتاژ نیز دست یافت. • بعلت رابطه غیر خطی جریان Ic با VBE ناگزیر باید ابتدا VBE را در یک مقدار DC بایاس نمود تا یک مقدار DC برای Ic بدست آید. سپس میتوان سیگنال کوچک vbe را به بیس اعمال نمود تا جریان ترانزیستور در ناحیه کوچکی ار منحنی ic-vbe بصورت تقریبا خطی تغییر نماید.

25. بایاس DCتقویت کننده امیتر مشترک • در یک تقویت کننده امیتر مشترک ولتاژ ورودی بین بیس وامیتر اعمال شده و خروجی بین کلکتور و امیتر گرفته میشود. • مقاومت RC دو کاربرد دارد: تامین نقطه کار DC و تبدیل جریان به ولتاژ • ولتاژ خروجی از رابطه زیر بدست می آید: • برای ورودی کمتر از vi=0.5 ولت ترانزیستور قطع بوده و ic=0 میشود لذا خروجی برابر با Vcc خواهد شد. Figure 5.26 (a) Basic common-emitter amplifier circuit.

26. منحنی مشخصه تقویت کننده امیتر مشترک • با افزایش ورودی ترانزیستور هدایت کرده و در ناحیه فعال شروع به کار میکند. در این حالت جریان کلکتور از رابطه زیر بدست می آید. • و برای خروجی داریم: • با افزایش ورودی بر مقدار ic افزوده و مقدار ولتاژ خروجی و یا VC کاهش می یابد. در صورتی که ولتاژ VCE از 0.4 کمتر شود پیوند بیس-کلکتور روشن شده و ترانزیستور وارد ناحیه اشباع میشود. در اینحالت خروجی در حد VCEsat باقی میماند. • مقدار جریان کلکتور نیز تقریبا ثابت باقی میماند. Figure 5.26 Transfer characteristic of the circuit in (a). The amplifier is biased at a point Q, and a small voltage signal vi is superimposed on the dc bias voltage VBE. The resulting output signal vo appears superimposed on the dc collector voltage VCE. The amplitude of vo is larger than that of vi by the voltage gain Av.

27. گین تقویت کننده • برای داشتن یک رابطه خطی بین ورودی سیگنال کوچک و خروجی تقویت کننده ابتدا تقویت کننده در نقطه ای مثل Q بایاس میشود و سپس سیگنال کوچک به ورودی اضافه میگردد. • مقدار گین تقویت کننده برابر است با شیب منحنی مشخصه تقویت کننده در نقطه کار: توجه شود که این تقویت کننده بصورت invertingعمل میکند. برای افزایش بهره باید افت ولتاژ روی RC را افزایش داد. اینکار باعث میشود تا VCE کاهش یافته و به ناحیه اشباع نزدیک شود که اینکار باعث حذف قسمتهائی از نوسان منفی خروجی شود که مطلوب نیست. لذا نقطه کار باید طوری انتخاب شود که ضمن بالا نگه داشتن بهره اجازه نوسان کافی به خروجی هم داده شود.

28. مثال • برای یک تقویت کننده امیتر مشترک داریم: • الف) مقدار ولتاژ بایاس برای اینکه باشد چقدر است. مقدار جریان IC در اینحالت چقدر خواهد بود. • ب) مقدار بهره ولتاژ در این نقطه چقدراست. اگر یک سیگنال سینوسی کوچک با دامنه 5mv به ورودی اضافه شود نوسان خروجی چقدر خواهد بود. • ج) حداکثرمقدار مثبتی که با اضافه شدن به VBE باعث رسیدن ترانزیستور به ناحیه اشباع میشود را پیدا کنید. • حداکثر مقدار منفی که با اضافه شدن به VBE باعث رسیدن ترانزیستور به ناحیه قطع میشود را بدست آورید.

29. پاسخ • الف) • ب) • ج) • د)

30. تحلیل گرافیکی • رابطه جریان ic و vce را میتوان بصورت یک خط راست نوشت: • نقطه کار از تلاقی این خط با مشخصه بدست می آید. Figure 5.28 Graphical construction for the determination of the dc base current in the circuit of Fig. 5.27. Figure 5.29 Graphical construction for determining the dc collector current IC and the collector-to-emitter voltage VCE in the circuit of Fig. 5.27. Figure 5.27 Circuit whose operation is to be analyzed graphically.

31. نمایش گرافیکی اعمال سیگنال کوچک Figure 5.30 Graphical determination of the signal components vbe, ib, ic, and vce when a signal component vi is superimposed on the dc voltage VBB (see Fig. 5.27).

32. ترانزیستور BJT بعنوان سوئیچ • برای استفاده از ترانزیستور بعنوان سوئیچ آنرا در ناحیه قطع و اشباع بکار میگیرند. • اگر ورودی کمتراز 0.5V باشد داریم: • اگر VBE>0.7v باشد ترانزیستور وارد ناحیه فعال شده و جریان بیس برابر میشود با: • با افزایش جریان بیس مقدار ولتاژ VC کاهش می یابد تا ترانزیستور به مرز اشباع( Edge Of Saturation)برسد: • با افزایش ورودی از این مقدار ترانزیستور بیشتر در ناحیه اشباع فروخواهد رفت. Figure 5.32 A simple circuit used to illustrate the different modes of operation of the BJT.

33. مثال 1 • برای ترانزیستور مدار زیر مقدار β بین 50 تا 150 است، RB را بنحوی پیدا کنید که ترانزیستور در ناحیه اشباع قرار بگیرد. • وقتی ترانزیستور در اشباع است داریم: • در این حالت: • برای اینکه با کمترین مقدار β ترانزیستور به اشباع برود : • با در نظر گرفتن ضریب 10 داریم: • در اینصورت مقدار مقاومت RB برابر • است با: Figure 5.33 Circuit for Example 5.3.

34. مراحل آنالیز DCترانزیستور • ابتدا با توجه به مقادیر بسیار معلوم مسئله ناحیه کاری ترانزیستور را حدس بزنید. • از روابط این ناحیه استفاده کرده و مدار را آنالیز کنید. • برای آزمودن صحت فرض اولیه نامعادله ها و شرایط مربوط به آن ناحیه را بررسی کنید. • اگر روابط مربوط به ناحیه فرض شده برقرار بود آنالیز خاتمه می یابد. در غیر اینصورت باید فرض اولیه را تغییر داده و مسئله را از نو حل کنید.

35. مثال 2 • مقادیر جریان های مختلف مدار زیر را مشخص کنید. • فرض میکنیم که ترانزیستور در ناحیه فعال باشد. با نوشتن KVL برای بیس داریم: 5.7 – 10 iB –0.7 – 2 (99+1) iB=0 Therefore iB = 23.8 μA لذا برای سایر جریانها خواهیم داشت: iC = 99 iB = 2.356 mA and iE =100 iB = 2.380 mA

36. ادامه مثال 2 • برای اینکه از صحت فرض در ناحیه فعال بودن ترانزیستور مطمئن شویم باید این فرض را امتحان کنیم: 10.7 – 10 iC – VCE – 2 iE =0 Therefore, VCE = 10.7 – 10(2.36) – 2(2.38) = -17.66 V < 0.2 V می بینیم که فرض ما صحیح نبوده است. لذا فرض را عوض کرده و چنین می پنداریم که ترانزیستور در ناحیه اشباع باشد

37. ادامه مثال 2 • برای اینکه ترانزیستور در اشباع باشد شرایط زیر به مدار تحمیل میگردند: • برای آنالیزDC مدار نیاز به معادله های مختلفی داریم:

38. ادامه مثال 2 • با ترکیب معادلات فوق داریم: • با جایگزینی مقدار فوق خواهیم داشت: • و مقادیر جریان: • می بینیم که همه مقادیر جریان مثبت بوده و بعلاوه شرط زیر برقرار است لذا فرض در اشباع بودن ترانزیستور صحیح بوده است.

39. مثال 3 • برای تقویت کننده امیتر مشترک زیر مقادیر زیر را بدست آورید: • پاسخ: • فرض میکنیم ترانزیستور در ناحیه فعال باشد. برای این ناحیه: با نوشتن یک معادله KVL برای ناحیه بیس-امیتر داریم: لذا:

40. ادامه مثال 3 • برای سایر جریانها داریم: • برای ولتاژها داریم: • در نهایت صحت فرض اولیه را بررسی میکنیم: فرض در ناحیه فعال بودن صحیح بوده است

41. مثال 4 برای مدار شکل زیر جریان و ولتاژ کلکتور را بدست آورید. • پاسخ: • فرض میکنیم ترانزیستور در ناحیه فعال باشد. برای این ناحیه: برای اینکه بتوانیم معادله KVL را در بیس-امیتر بنویسیم، معادل تونن مقسم ولتاژ را بدست می آوریم.

42. ادامه مثال 4 : معادل تونن

43. ادامه مثال 4 • بنابراین با جایگزینی مدار تونن میتوان معادلات رابصورت زیر نوشت: باید صحت فرض اولیه بررسی شود:

44. مثال 5 در شکل زیر ولتاژ کلکتور ترانزیستور ها را بدست آورید. • پاسخ: • فرض میکنیم هر دو ترانزیستور در ناحیه فعال باشند: رابطه زیر را برای جریان داریم: از طرفی معلومات مسئله: که با استفاده از آن خواهیم داشت:

45. ادامه مثال 5 • با استفاده از روابط بدست آمده داریم: • با دانستن یکی از جریانهای BJT بقیه را نیز میتوان بدست آورد: • به همین ترتیب برای ولتاژها:

46. ادامه مثال 5 • در نهایت صحت فرض اولیه یعنی فعال بودن ترانزیستور ها را چک میکنیم:

47. شباهتهای BJT و CMOS • این دو ترانزیستور از جهات مختلفی به هم شبیه هستند. جدول زیر یک مقایسه مفهومی بین آنها بعمل آورده تا به فهم ساده تر مسائل مربوطه کمک کند.

48. شباهتهای BJT و CMOS

49. شباهتهای BJT و CMOS