POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr4 FD1
1
TRANZYSTOR BIPOLARNY –CHARAKTERYSTYKI
STATYCZNE
Celem ćwiczenia jest pomiar i analiza charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego npn lub
pnp pracującego w układach wspólnego emitera (WE) lub wspólnej bazy (WB).
A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami:
Zapoznanie się z treścią poniższej instrukcji, zapoznanie się z teoretycznymi podstawami działania tran-
zystora bipolarnego, przygotowanie - narysowanie schematów pomiarowych oraz opracowanie własne-
go planu pomiarów (wraz z odpowiednimi tabelami).
B) WPROWADZENIE
W tranzystorze n-p-n złącze n
+
-p
+
jest nazywane złączem emiterowym (sterującym), sam zaś obszar n
+
- emiterem.
(+ oznacza silne domieszkowanie danego obszaru). Zadaniem emitera jest wstrzykiwanie nadmiarowych nośników – elek-
tronów do obszaru p zwanego obszarem bazy. W bazie elektrony stanowią nośniki mniejszościowe, których większość
uczestniczy w prądzie zaporowym drugiego złącza tranzystora nazywanego złączem kolektorowym. Obszar n tego złą-
cza nazywa się kolektorem. W przypadku tranzystora pnp należy odpowiednio uwzględnić zmianę rodzaju domieszkowania
poszczególnych obszarów.
Rys. 1) Idea budowy
i działania tranzystora n-p-n, (układ WB).
a) Polaryzacja dla układu WE w stanie aktywnym normalnym
b) Rozpływ prądów tranzystorze:
1-ułamek liczby elektronów ulegających rekombinacji w bazie
2- elektrony wstrzyknięte do bazy i osiągające obszar kolektora
3-nośniki generowane termicznie - zaporowy prąd złącza kolektora
4-dziury dostarczane przez końcówkę bazy rekombinujące z elektronami
5-dziury dyfundujące z bazy do emitera
Rys. 2) Rodziny ch-styk dla układu WE oraz parametry statyczne. Na wykresie z prawej strony zaznaczono dozwolony
obszar pracy aktywnej tranzystora: P
tot
- dopuszczalna moc admisyjna; I
Cmax
- maksymalny prąd kolektora; U
CEmax
- dopusz-
czalne napięcie kolektor-emiter (określane jako np. 0.8 U
CEO
); I
CEO
- prąd zerowy kolektora (granica pomiędzy odcięciem a
zakresem aktywnym); U
CEsat
- napięcie nasycenia (WE), rozgranicza obszar nasycenia od stanu aktywnego
.
E
C
R
C
R
E
p
+
B
n
kolektor
emiter
n
+
_
+
+
W
b
a)
baza
1
n
++
n
p
+
I
B
I
C
I
E
2
3
4
5
b)
U
BE
U
CE
I
C
[mA]
U
CE
[V]
I
B
[
µA]
U
EB
0
0.4
0.8
5
5
1
5
U
CE
= 10 V
U
CE
= 5V
U
CE
= 5V
U
CE
= 10V
I
B
=30
µ
I
B
=20
µA
I
B
=10
µA
I
B
=0
µA
I
B
=30
µA
I
B
=5
µA
I
B
=1
µA
WEJŚCIOWE
PRZEJŚCIOWE
WYJŚCIOWE
ZWROTNE
U
CE
I
C
I
CEO
U
CEmax
U
CEOmax
I
B
=30
µA
I
B
=20
µA
I
B
=10
µA
I
B
=0
µA
ODCIĘCIE
N
A
S
Y
C
E
N
I
E
U
CB
=0
P
tot
I
C
ma
x
Obszar dozwolony
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr4 FD1
2
WE
WY
I
CBO
+
-
Tranzystor jest elementem trójkońcówkowym, dwuzłączowym, istnieją więc cztery różne kombinacje znaków napięć
polaryzujących oba złącza które określają jego stany pracy.
Rys. 3) Stany pracy tranzystora bipolarnego.
Tranzystor jako element trójkońcówkowy, traktowany jako czwórnik (dla wejścia i wyjścia sygnału) musi mieć jed-
ną z końcówek wspólną dla sygnału wejściowego i wyjściowego. Daje to 3! możliwych kombinacji, jednak aby uzyskać
wzmocnienie mocy (jedna z zasadniczych zalet tranzystora) jest konieczne by baza była jedną z końcówek wejściowych a
kolektor jedną z wyjściowych. Ogranicza to ilość użytecznych kombinacji do trzech. Są to układy:
Rys. 4. Układy pracy tranzystora bipolarnego.
Prądy zerowe:
Rys. 5. Układy pomiarowe prądów zerowych. Pomiędzy ich wartościami zachodzi relacja: I
CEO
>I
CER
>I
CES
>I
CBO
.
0
2
1
1
11
=
=
u
i
u
e
h
Impedancja (rezystancja) wejściowa.
0
1
2
1
12
=
=
i
u
u
e
h
Współczynnik oddziaływania zwrotnego.
0
2
1
2
21
=
=
u
i
i
e
h
Współczynnik wzmocnienia prądowego.
0
1
2
2
22
=
=
i
u
i
e
h
Admitancja (konduktancja) wyjściowa.
Rys. 6. Schemat zastępczy z oznaczeniami dla układu WE i definicje parametrów typu h tranzystora.
WE
WY
+
-
R
I
CEZ
I
CEZ
= I
CEO
dla R=
∞
I
CES
dla R=0
I
CER
dla0<R<
∞
WE WY
I
EBO
+
-
U
I
I
CEO
I
CER
I
CES
I
CBO
U
CEOmax
U
CBOmax
B
C
E
B
C
E
B
E
C
WE
WY
WE
WY
WE
WY
Wspólny emiter
Wspólny kolektor
Wspólna baza
h
21e
i
b
h
12e
u
ce
h
11e
h
22e
u
be
u
ce
b
e
c
e
i
b
U
BC
U
BE
AKTYWNY
INWERSYJNY
NASYCENIA
ZAPOROWY/
ZATKANIE
AKTYWNY
NORMALNY
„+” polaryzacja w stan przewodzenia
„-”
„+”
„-” polaryzacja w stanie zaporowym
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr4 FD1
3
C) POMIARY
Uwagi wstępne:
1. Pomiary wykonać dla tranzystora i układu pracy wskazanego przez prowadzącego.
2. Podczas pomiarów zwracać uwagę na utrzymywanie stałej wartości parametrów.
3. Pomiary przeprowadzić w możliwie szerokim zakresie dopuszczalnych prądów i napięć, w razie
wątpliwości wartości te należy uzgadniać z prowadzącym zajęcia.
4. Na każdą krzywą powinno przypadać nie mniej niż 15 pkt. pomiarowych.
1. Określić typ (
npn
-
pnp
) oraz rozkład wyprowadzeń końcówek tranzystora przy pomocy testera złącz, np.
multimetrem V562. Zmierzyć charakterystyki prądowo-napięciowe złącz BE i BC w obu kierunkach,
uwzględniając ich dopuszczalne parametry.
Układ wspólnego emitera
2. Zestawić układ pomiarowy do zbadania charakterystyk statycznych tranzystora pracującego w układzie
WE
.
3. Zmierzyć charakterystyki: wejściową UBE (IB)
UCE=const
, przejściową IC (IB)
UCE=const
. Charakterystyki te
można wyznaczyć jednocześnie, zmieniając prąd wejściowy IB i mierząc równocześnie napięcie wejściowe
UBE oraz prąd wyjściowy IC. Pomiary wykonać dla trzech wartości parametru UCE . Zmierzyć charaktery-
styki: wyjściową
IC(UCE)
IB=
const
, oddziaływania zwrotnego
UBE(UCE)
IB=const
. Charakterystyki te można
wyznaczyć jednocześnie, zmieniając napięcie wyjściowe UCE i mierząc równocześnie prąd wyjściowy IC oraz
napięcie wejściowe UBE. Pomiary wykonać dla trzech wartości parametru IB . Ze szczególną uwagą należy
wykonać pomiary w zakresie nasycenia.
Układ wspólnej bazy
4. Zestawić układ pomiarowy do zbadania charakterystyk statycznych tranzystora pracującego w układzie
WB
.
5. Zmierzyć charakterystyki: wejściową UBE(IE)
UCB=const
. oraz przejściową IC(IE)
UCB =const
. Charakterystyki te
można wyznaczyć jednocześnie, zmieniając prąd wejściowy IE i mierząc równocześnie napięcie wejściowe
UBE oraz prąd wyjściowy IC. Pomiary wykonać dla trzech wartości parametru UCB.
6. Zmierzyć charakterystyki: wyjściową IC(UCB)
IE=const
oraz oddziaływania zwrotnego UBE(UCB)
IE=const
w
zakresie aktywnym. Można je wyznaczyć jednocześnie, zmieniając napięcie wyjściowe UCB i mierząc równo-
cześnie prąd wyjściowy IC oraz napięcie wejściowe UBE . Po wyznaczeniu charakterystyk wyjściowych w ob-
szarze pracy aktywnej zmierzyć te charakterystyki w zakresie nasycenia (po zmianie polaryzacji złącza kolek-
torowego).
Charakterystyki prądów zerowych
7. Zmierzyć charakterystyki I
CER
(U
CE
) dla przypadków R=0, 0<R<
∞ oraz R=∞ dla wybranego typu tranzystora.
8. Zmierzyć charakterystykę I
CB0
(U
CE
).
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr4 FD1
4
D) SCHEMATY POMIAROWE
a) Układ WE, tranzystor npn
mA
V
ZASILACZ
+
−
V
mA
ZASILACZ
+
−
b) Układ WB, tranzystor pnp
mA
V
ZASILACZ
+
−
V
mA
ZASILACZ
+
−
c) Układ WE, tranzystor pnp
mA
V
ZASILACZ
+
−
V
mA
ZASILACZ
+
−
d) Układ WB, tranzystor pnp
mA
V
ZASILACZ
+
−
V
mA
ZASILACZ
+
−
Rys.7 Schematy pomiarowe dla układów wspólnego emitera (WE) i wspólnej bazy (WB).
Rys.8 Schemat układu do pomiaru prądów I
CER
dla tranzystora npn.
mA
V
ZASILACZ
+
−
R
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr4 FD1
5
E Parametry katalogowe wybranych typów tranzystorów.
Jeżeli pomiary w laboratorium dotyczą innych typów tranzystorów – ich dane należy odszukać samo-
dzielnie w katalogu elementów półprzewodnikowych.
U
CEmax
[V]
I
CEmax
[A]
I
Bmax
[A]
U
CBmax
[V]
U
EBma
[V]
P
tot
[W]
tj
max
[C]
U
CESAT
[V]
h
21E
f
T
[Mhz]
R
thj-c
[C/W]
TYP
BDP281 30 7 3 40 5
40
t
c
=25
0
C
150 1
25-200
4 3.1
npn
BDP282 30 7 3 40 5
40
t
c
=25
0
C
150 1
25-200
10 3.1
pnp
BD 135 45 0.5
0.1
45 5
6.5
t
c
=40
0
C
125 0.5
40-250
200 10 npn
BD 136 45 0.5
0.1
45 5
6.5
t
c
=40
0
C
125 0.5
40-250
150 10 pnp
BC 211 40 1 0.1
80 5
4.25 175
1 6-250
50
35
npn
BC 313 40 1 0.1
80 5
4.25 175
1 6-250
50
35
pnp
E) O
PRACOWANIE I ANALIZA WYNIKÓW
:
1. Narysować (wydrukować) wszystkie zmierzone charakterystyki.
2.
Na podstawie charakterystyk złącza BE, BC narysowanych w skali logarytmiczno-liniowej i wyznaczyć
współczynniki złącza oraz „prądy zerowe” i rezystancję szeregową (patrz instrukcja do ćwiczenia „diody
półprzewodnikowe”).
3. Wyznaczyć parametry schematu zastępczego:
a) z parametrami mieszanymi typu h
b) hybryd
π, dla tego samego punktu pracy tranzystora.
4. Narysować na jednym wykresie charakterystyki prądów zerowych. Sprawdzić teoretyczną zależność
pomiędzy I
CE0
oraz I
CB0
.
5.
Porównać uzyskane wyniki z danymi katalogowymi.
6.
Dokonać kompleksowej analizy uzyskanych wyników.
Zalecana literatura:
1.
W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”
2.
W. Marciniak „Modele elementów półprzewodników”
3.
A. Kusy „Podstawy elektroniki”
4. „Elementy półprzewodnikowe i układy scalone” (katalog UNITRA – CEMI)
5.
Gray P.E.,Searle C.L.- „Podstawy elektroniki
6.
Praca zbiorowa - „Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych”.