P

OLITECHNIKA WI TOKRZYSKA

W

K

IELCACH

W

YDZIAŁ

E

LEKTROTECHNIKI

,

A

UTOMATYKI I

I

NFORMATYKI

K

ATEDRA

E

LEKTRONIKI I

S

YSTEMÓW

I

NTELIGENTNYCH

L

ABORATORIUM

P

ODSTAW

E

LEKTRONIKI

I

NSTRUKCJA

L

ABORATORYJNA

WICZENIE NR

4:

B

ADANIE TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH

K

IELCE

2006

- 2 -

1. Wst p teoretyczny

Tranzystor bipolarnym zwany te warstwowym, stanowi kombinacj dwóch półprzewodnikowych

zł czy

p-n, wytworzonych w jednej płytce półprzewodnika. Procesy zachodz ce w jednym zł czu

oddziałuj na drugie, a no nikami ładunku elektrycznego s dziury i elektrony. Tranzystory bipolarne

wykonywane s najcz ciej z krzemu, rzadziej z germanu. Ze wzgl du na kolejno uło enia warstw

półprzewodnika rozró niamy:

•

tranzystory

n-p-n (rys.1a),

•

tranzystory

p-n-p (rys.1b).

Mog one by z:

•

jednorodn baz (dyfuzyjny),

•

niejednorodn baz (dryfytowy).

Zasada działania tranzystora

n-p-n i p-n-p jest jednakowa, ró nice wyst puj tylko w polaryzacji

zewn trznych ródeł napi cia i kierunku przepływu pr dów.

Tranzystor bipolarny składa si z trzech obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje

powstanie dwóch zł czy:

p-n i n-p. W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika

maj swoj nazw :

B – baza, E – emiter, C – kolektor. A zł cza nazywa si

•

zł czem emiterowym (zł cze emiter-baza);

•

zł czem kolektorowym (zł cze baza-kolektor).

Struktura półprzewodnikowa tranzystora jest umieszczana w hermetycznie zamkni tej obudowie

metalowej, ceramicznej lub plastykowej. Obudowa ta chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi, jak

równie spełnia inne funkcje, np. w tranzystorach redniej i du ej mocy umo liwia skuteczne

odprowadzenie ciepła.

Rys. 1. Model struktury i symbole graficzne tranzystora bipolarnego.

a),

n-p-n b) p-n-p.

1.1. Układy pracy tranzystora

Zale nie od doprowadzenia i wyprowadzenia sygnału rozró niamy trzy sposoby wł czenia

tranzystora do układu:

•

układ ze wspólnym emiterem

WE (OE) ,

•

układ ze wspóln baz

WB (OB),

•

układ za wspólnym kolektorem

WC (OC).

n

p

n

B

C

E

C

B

E

a)

p

n

p

B

C

E

C

B

E

b)

- 3 -

Rys.2. Układy pracy tranzystora. a) ze wspólnym emiterem (

WE),

b) ze wspóln baz (

WB.), c) ze wspólnym kolektorem (WC).

Wybór układu pracy tranzystora jest zale ny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora.
Tranzystor pracuj cy w układzie

WE charakteryzuje si :

•

du ym wzmocnieniem pr dowym (

B

C

I

I

=

β

)

•

du ym wzmocnieniem napi ciowym,

•

du ym wzmocnieniem mocy.

•

Napi cie wyj ciowe jest odwrócone w fazie o 180

° w stosunku do napi cia wej ciowego.

•

Rezystancja wej ciowa jest rz du kilkuset

Ω a wyj ciowa wynosi kilkadziesi t kΩ.

Tranzystor pracuj cy w układzie

WB charakteryzuje si :

•

mał rezystancj wej ciow ,

•

bardzo du rezystancj wyj ciow ,

•

wzmocnieniem pr dowym bliskim jedno ci (

E

C

I

I

=

α

).

Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo du ych cz stotliwo ciach granicznych.
Tranzystor pracuj cy w układzie

WC charakteryzuje si :

•

du rezystancj wej ciow – co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej cz stotliwo ci,

•

wzmocnieniem napi ciowym równym jedno ci,

•

du ym wzmocnieniem pr dowym (

B

E

I

I

=

+

β 1

).

1.2. Zasada działania tranzystora

Działanie tranzystora bipolarnego rozpatrzymy na przykładzie stanu aktywnego tranzystora, tzn. gdy

zł cze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a zł cze baza-kolektor spolaryzowane

w kierunku zaporowym. Stan taki jest zapewniony, gdy spełniona jest zale no mi dzy potencjałami na

poszczególnych elektrodach: V

E

< V

B

< V

C

– dla tranzystora

n-p-n; V

E

> V

B

> V

C

– dla tranzystora

p-n-p.

I

B

– pr d bazy

I

C

– pr d kolektora

I

E

– pr d emitera

U

CE

– napi cie kolektor-emiter

U

BE

– napi cie baza-emiter

U

CB

– napi cie kolektor-baza

V

E

– potencjał emitera

V

B

– potencjał emitera

V

C

– potencjał kolektora

Rys. 3. Oznaczenie rozpływu pr du i spadki napi cia w tranzystorze: a)

n-p-n, b) p-n-p

C

B

E

a)

U

wy

U

we

WE

C

E

B

b)

U

wy

U

we

WB

E

B

C

c)

U

wy

U

we

WC

a)

U

CE

U

BE

I

C

I

E

I

B

U

CB

V

B

V

E

V

E

<V

B

<V

C

V

C

b)

U

BE

I

C

I

E

I

B

U

CB

V

B

V

E

V

E

>V

B

>V

C

V

C

U

CE

- 4 -

Rys. 4. Zasada działania tranzystora

n-p-n. (I

B

– pr d bazy, I

C

– pr d kolektora, I

CB0

–zerowy pr d

kolektora, I

E

– pr d emitera)

W wyniku przyło enia napi do elektrod tranzystora, elektrony jako no niki wi kszo ciowe

przechodz z emitera do bazy, gdzie staj si no nikami mniejszo ciowymi i cz

z nich rekombinuje z

dziurami wprowadzanymi przez kontakt bazy. Elektrony przechodz ce przez zł cze emiter-baza maj

okre lone pr dko ci i je eli obszar bazy jest w ski, to prawie wszystkie przejd do kolektora, gdzie stan

si ponownie no nikami wi kszo ciowymi i zostan usuni te z obszaru kolektora do obwodu

zewn trznego. Stosunek ilo ci no ników (elektronów) przechodz cych do kolektora, do ilo ci no ników

(elektronów) wstrzykiwanych z emitera do bazy, nazywamy współczynnikiem wzmocnienia pr dowego i
oznaczamy

α

.

W zakresie czynnej pracy zł cze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, za zł cze

kolektor-baza - zaporowo, zatem w obwodzie kolektora b dzie płyn pr d nawet przy rozwartym

obwodzie emitera. Pr d zerowy w układzie (

WB)- wspólnej bazy - oznaczony przez I

CB0.

Je eli

doprowadzimy napi cie do emitera i kolektora, jak to ma miejsce w układach wspólnego emitera (

WE) i

wspólnego kolektora (

WC), to popłynie pr d I

CEO

o znacznie wi kszej warto ci w porównaniu z pr dem

I

CB0

(rys. 5.).

Rys. 5. Pr dy w tranzystorze spolaryzowanym napi ciami E

B

i E

C

:

a) tranzystor typu

n-p-n b) tranzystor typu p-n-p,

Stosuj c konwencjonalne kierunki oznacze pr dów (rys.3.), dla tranzystora typu

p-n-p mamy

0

=

−

−

C

B

E

I

I

I

, za dla tranzystora

n-p-n

0

=

+

+

−

C

B

E

I

I

I

. Z uwagi na to, e zł cze kolektor-baza

jest spolaryzowane zaporowo, to przez nie płynie, podobnie jak w diodzie, pr d no ników
mniejszo ciowych I

CB0

, powi kszaj cy pr d I

C

. Zatem mamy

0

'

CB

C

C

I

I

I

−

=

a)

E

C

E

B

I

C

I

B

I

E

I’

C

I

CB0

C

E

B

b)

E

C

E

B

I

C

I

B

I

E

I’

C

I

CB0

C

E

B

R

I

E

E

B

C

R

I

B

I

C

E

I

CB0

E

- 5 -

Zwi zek pomi dzy pr dem I

C

a pr dem emitera I

E

jest okre lony przez współczynnik wzmocnienia

pr dowego, oznaczany przez

E

CB

C

E

C

I

I

I

I

I

0

'

−

=

=

α

. Współczynnik

α jest nazywany wzmocnieniem

pr dowym dla du ych sygnałów tranzystora pracuj cego w układzie wspólnej bazy. Typowe warto ci

α

mieszcz si w zakresie od 0,90 do 0,995. Nale y podkre li , e współczynnik

α nie jest stały i zmienia

si w funkcji pr du emitera I

E

, napi cia kolektora U

CB

i temperatury.

Innym wa nym parametrem, o którym trzeba wspomnie jest współczynniki wzmocnienia pr dowego

tranzystora w układzie wspólnego emitera. W niskich temperaturach mo na przyj , e I

CB0

=0 wtedy

stosunek pr du kolektora do pr du bazy przyjmie posta :

β

α

α

=

−

=

1

B

C

I

I

. Ten parametr ma du e

znaczenie podczas obliczania polaryzacji i stabilizacji układów tranzystorowych. Nosi on tak e nazwy:

wielosygnałowv współczynnik zwarciowego wzmocnienia pr dowego dla składowych stałych lub
statyczny współczynnik wzmocnienia pr dowego. Okre la si go jako h

21e

. Poza współczynnikiem

β

,

który dotyczy sygnałów du ych, mamy współczynnik

β

0

okre lany przez h

21e.

Jest on, małosygnałowym

współczynnikiem zwarciowego wzmocnienia pr dowego i jest zdefiniowany jako stosunek przyrostu
pr du kolektora

∆

I

C

do małego przyrostu pr du

∆

I

B

w danym punkcie pracy, przy ustalonym napi ciu

kolektor-emiter (U

CE

):

e

const

U

B

C

h

I

I

CE

21

0

=

∂

∂

=

=

β

Współczynnik zwarciowego wzmocnienia pr dowego h

21e

dla małych sygnałów w układzie

WE

znajduje zastosowanie do analizy układów wzmacniaczy małych sygnałów, nosi on te nazw

małosygnałowego współczynnika wzmocnienia pr dowego.

1.3. Polaryzacja i charakterystyki tranzystora bipolarnego.

Polaryzacja tranzystora bipolarnego zale y od typu tranzystora (

n-p-n , p-n-p) i przewidywanego

zastosowania. W zale no ci od sposobu spolaryzowania zł cz tranzystora, mo na wyró ni cztery

zakresy jego pracy:

zakres aktywny normalny – zł cze emiterowe jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zł cze

kolektorowe – w kierunku zaporowym,

zakres nasycenia – oba zł cza s spolaryzowane w kierunku przewodzenia,
zakres odci cia – oba zł cza s spolaryzowane zaporowo,
zakres aktywny inwersyjny – zł cze emiterowe jest spolaryzowane w kierunku zaporowym, zł cze

kolektorowe – w kierunku przewodzenia.

Rys. 6. Polaryzacja tranzystora typu

n-p-n w układzie WE

a) zakres czynny, b) zakres nasycenia, c) zakres odci cia d) zakres inwersyjny

a)

E

C

E

B

|E

B

| < |E

C

|

b)

|E

B

| > |E

C

|

c)

|E

B

| > |E

C

|

d)

|E

B

| < |E

C

|

E

C

E

B

E

C

E

B

E

C

E

B

- 6 -

Rys. 7. Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego

n-p-n w układzie WE

Z charakterystyk przedstawionych na rys. 7. mo na wyznaczy parametry H

e

tranzystora w punkcie

P:

z charakterystyki wej ciowej

B

B

B

B

BE

BE

e

I

U

I

I

U

U

h

∆

∆

=

−

−

=

1

1

2

1

2

11

z charakterystyki zwrotnej napi ciowej

CE

B

CE

CE

BE

BE

e

U

U

U

U

U

U

h

∆

∆

=

−

−

=

2

3

4

3

4

12

z charakterystyki przej ciowej pr dowej

B

C

B

B

C

C

e

I

I

I

I

I

I

h

∆

∆

=

−

−

=

1

1

2

1

2

21

z charakterystyki wyj ciowej

CE

C

CE

CE

C

C

e

U

I

U

U

I

I

h

∆

∆

=

−

−

=

2

1

2

3

4

22

P4

P3

1

2

3

4

5

6

7

8

60

50

40

30

20

10

9

U

CE

[V]

I

B

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

I

C

[mA]

0,4

0,2

0,6

0,8

U

BE

[V]

[ A]

U

CE

=5V

U

CE

=1V

I

B

=50 A

I

B

=40 A

I

B

=30 A

I

B

=20 A

I

B

=10 A

I

B

=0 A

P

t0t

U

CE

=5V

U

CE

=1V

P

P

P

P

I

B

=10 A

I

B

=50 A

I

B

=30 A

Ch-ka przej ciowa pr dowa

( )

B

C

I

f

I

=

Ch-a wyj ciowa

(

)

const

I

CE

C

B

U

f

I

=

=

Ch-a zwrotna napi ciowa

(

)

const

I

CE

BE

B

U

f

U

=

=

Ch-a wej ciowa

(

)

const

U

BE

B

CE

U

f

I

=

=

U

BE1

I

B

I

C1

I

C2

U

CE

U

BE2

P2

P1

P1

P2

P3

P4

- 7 -

2. Przebieg wiczenia

2.1. Wyznaczanie charakterystyk tranzystora bipolarnego n-p-n (lub p-n-p)

Schemat pomiarowy.

Rys. 8. Układ do pomiaru statycznych charakterystyk tranzystora bipolarnych

n-p-n

Rys. 9. Układ do pomiaru statycznych charakterystyk tranzystora bipolarnych

p-n-p

Sposób przeprowadzenia pomiarów.

•

Poł czy układ pomiarowy przedstawiony na rys.8. (R

B

=220k

Ω, R

C

=1k

Ω, T - tranzystor bipolarny

n-p-n BC 107) lub na rys.9. (R

B

=220k

Ω, R

C

=1k

Ω, T – tranzystor bipolarny p-n-p BC177)

•

Wykona pomiary statycznych charakterystyk tranzystora bipolarnych. Pomiar polega na:

dokładnym ustawieniu regulowanym zasilaczem E

B

odpowiedniego pr du bazy I

B

(mikroamperomierz

µµµµA), dokładnym ustawieniu regulowanym zasilaczem E

C

odpowiedniego

napi cia U

CE

(woltomierz

V

C

) i odczytaniu napi cia U

BE

(woltomierz

V

B

) i pr du kolektora I

C

(miliamperomierz

mA). Wyniki nale y zamie ci w tabeli 1. Pomiary nale y powtórzy dla

wszystkich warto ci pr du bazy I

B

i napi cia kolektor emiter U

CE

okre lonych w tabeli 1. Warto ci

napi cia U

BE

nale y odczytywa z mo liwie najwi ksz dokładno ci .

•

Po wykonaniu pomiarów w całym zakresie zmienno ci napi cia U

CE

i pr du I

B

jest mo liwe

wykre lenie

wszystkich

charakterystyk

statycznych

tranzystora:

wej ciowej

(

)

const

U

BE

B

CE

U

f

I

=

=

,

przej ciowej

pr dowej

( )

const

U

B

C

CE

I

f

I

=

=

,

wyj ciowej

(

)

const

I

CE

C

B

U

f

I

=

=

, zwrotnej napi ciowej

(

)

const

I

CE

BE

B

U

f

U

=

=

E

B

T

R

B

A

V

B

mA

R

C

E

C

V

C

E

B

T

R

B

A

V

B

mA

R

C

E

C

V

C

- 8 -

Tabele pomiarowe

Tabela 1. Pomiar charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego.

I

B

=1

µA I

B

=5

µA I

B

=10

µA I

B

=15

µA I

B

=20

µA I

B

=25

µA I

B

=30

µA I

B

=35

µA I

B

=40

µA I

B

=45

µA

U

CE

I

C

U

BE

I

C

U

BE

I

C

U

BE

I

C

U

BE

I

C

U

BE

I

C

U

BE

I

C

U

BE

I

C

U

BE

I

C

U

BE

I

C

U

BE

Lp.

[V] [mA] [mV] [mA] [mV] [mA] [mV] [mA] [mV] [mA] [mV] [mA] [mV] [mA] [mV] [mA] [mV] [mA] [mV] [mA] [mV]

1.

0

2. 0,05

3. 0,1

4. 0,2

5. 0,5

6. 1,0

7. 1,5

8. 2,0

9. 3,0

10. 4,0

11. 5,0

12. 7,0

13. 9,0

14. 11,0

15. 13,0

16. 15.0

3. Opracowanie wyników pomiaru

W sprawozdaniu nale y zamie ci :

1.

Schemat pomiarowy realizowany na wiczeniu.

2.

Tabele pomiarowe z wynikami.

3.

Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego sporz dzone na podstawie przeprowadzonych

pomiarów. Rodzina charakterystyk wyj ciowych powinna zawiera wszystkie wyznaczone krzywe,

pozostałe rodziny charakterystyk po trzy krzywe.

4.

Wyznaczenie parametrów H

e

w układzie

WE - dla okre lonego punktu P (I

B

, U

CE

okre la prowadz cy

zaj cia). W tabeli pomiarowej nale y zaznaczy (np. pogrubi ) pomiary (punkty

P1, P2, P3, P4),

które posłu yły do wyznaczenia parametrów H

e

. Na wykre lonych charakterystykach statyczne

tranzystora bipolarnego zaznaczy punkty

P oraz P1, P2, P3, P4.

const

U

I

U

h

CE

B

BE

e

=

∆

∆

=

11

const

I

U

U

h

B

CE

BE

e

=

∆

∆

=

12

const

U

I

I

h

CE

B

C

e

=

∆

∆

=

21

const

I

U

I

h

B

CE

C

e

=

∆

∆

=

22

5.

Obliczenie parametrów

H

b,

w układzie WB i H

c

w układzie WC

Dla układu

WB:

e

e

b

h

h

h

21

11

11

1

+

=

e

e

e

e

b

h

h

h

h

h

12

21

22

11

12

1

−

+

⋅

=

e

e

b

h

h

h

21

21

21

1

+

=

e

e

b

h

h

h

21

22

22

1

+

=

Dla układu

WC:

e

c

h

h

11

11

=

e

c

h

h

12

12

1

−

=

)

1

(

21

21

e

c

h

h

+

−

=

e

c

h

h

22

22

=

6.

Wnioski i spostrze enia po przeprowadzonym wiczeniu i opracowaniu wyników pomiarów.