SMOLIŃSKI Marcin data wykonania laboratorium: 22.10.2002

SYDOW Krzysztof

TARASIUK Marek

Sprawozdanie z laboratorium Elementy Półprzewodnikowe

Ćwiczenie 3

CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO

Tranzystor bipolarny wykorzystany w laboratorium:

1. BC 211

-max napięcie kolektor-emiter U_CE0 = 40 [V]

-max napięcie emiter-baza U_EB0 = 5 [V]

-max moc całkowita P = 1 [W]

-max prąd kolektora I_Cmax= 1 [A]

1. Na podstawie pomiarów wykreślono następujące charakterystyki statyczne

tranzystora w konfiguracji wspólnego emitera dla połączenia normalnego.

IB= 0,0001[mA]		IB=0,0002 [mA]		IB=0,0003 [mA]
UCE [mV]	IC [mA]	UCE [mV]	IC [mA]	UCE [mV]	IC [mA]
26,7	-0,0025	22,1	0,0036	19,9	0,0051
27,2	0,0002	22,2	0,004	20,2	0,019
28,1	0,0052	22,9	0,008	21,9	0,057
28,9	0,01	23,4	0,02	23,2	0,085
30,8	0,0222	24,3	0,0325	23,9	0,09
32,3	0,0316	25,5	0,05	24,9	0,122
34,1	0,0445	27,9	0,0802	27,1	0,181
36,4	0,0613	32	0,154	42,7	0,7
38,7	0,0802	40,9	0,34	50,9	1,06
42	0,11	45,7	0,46	58,9	1,53
44,1	0,13	50,2	0,59	62,9	1,76
46,4	0,154	59	0,9	81	3,25
70	0,517	65,2	1,16	90,2	4,19
73,1	0,59	79,4	1,94	101	5,42
80	0,763	83,6	2,21	113,8	7
84,9	0,91	90,3	2,68	123,8	8,38
93,2	1,208	97,3	3,24	140	10,78
99	1,425	111,8	4,53	164,2	14,35
125,2	2,7	120	5,33	181	18,18
140	3,5	130	6,37	214	20,8
190	4,2	140	7,45	261	24,5
180	4,5	150	8,4	322	26,6
170	5	163,4	9,97	654	27,2
180	5,5	171	10,71	1344	27,5
190	6	191	12,6	2170	27,8
220	7	211	14,18	3090	28,1
270	8	300	17,23	6690	28,9
320	8,2	350	17,58	9930	29,7
830	8,3	391	17,56	10010	30,2
1530	8,35	468	17,7
2410	8,4	508	17,7
3680	8,45	727	17,78
4130	8,5	828	17,84
5230	8,55	1094	17,89
5990	8,6	1558	17,97
5840	8,65	1907	18,05
7580	8,7	2230	18,12
8580	8,76	3290	18,25
8880	8,8	11000	19
9910	8,85
11370	8,9
11840	8,95
12280	9

Tabela 1. Charakterystyki wyjściowe I_C(U_CE) tranzystora dla prądów bazy I_B = 100, 200, 300

Rys 1. Charakterystyki wyjściowe I_C(U_BE).

Na podstawie charakterystyki wyjściowej wyznaczone graficznie zostało napięcie Early'ego U_E

w zakresie aktywnym normalnym. Punkty które posłużyły do aproksymacji wykresu to:

IB= 0,0001[mA]		IB=0,0002 [mA]		IB=0,0003 [mA]
0	-137.500	0	-145.121	0	-113.600
8,25	0	17,85	0	27,6	0
8,5	4130	18,12	2230	27,8	2170
8,85	9910	18,25	3290	28,9	6690
IC [mA]	UCE [mV]	IC [mA]	UCE [mV]	IC [mA]	UCE [mV]

Poszczególne napięcia Early'ego wyznaczone metodą graficzną wynoszą odpowiednio dla poszczególnych prądów: U_E = -137.500 [mV] (dla I_B= 0,0001[mA]) ; U_E =-145.121 [mV] (dla I_B=0,0002 [mA]) ; U_E =-113.600 [mV] (dla I_B=0,0003 [mA])

Rys 1. Wykres przedstawia graficznie wyznaczone napięcie Early'ego (na zasadzie przedłużenia charakterystyk wyjściowych).

UCE = 3 [V]			UCE = 10 [V]
IB [mA]	UBE [mV]	IC [mA]	IB [mA]	UBE [mV]	IC [mA]
0	330	0,0003	0	340	0,0011
0,0001	371	0,0004	0,0001	390	0,0013
0,0001	415	0,0009	0,0002	450	0,0032
0,0001	431	0,0014	0,0002	460	0,0043
0,0002	446	0,0022	0,0003	470	0,0056
0,0003	468	0,0047	0,0004	490	0,0108
0,0004	483	0,0075	0,0006	500	0,0152
0,0006	502	0,017	0,0007	510	0,0227
0,001	519	0,0329	0,0009	520	0,0293
0,0037	565	0,185	0,0016	540	0,068
0,0078	590	0,47	0,0032	560	0,162
0,0144	607	0,75	0,0048	570	0,278
0,0188	616	1,33	0,0075	590	0,458
0,0328	632	2,48	0,0151	610	1,042
0,0365	635	2,81	0,0207	620	1,504
0,043	640	3,38	0,0275	630	2,09
0,0534	646	4,3	0,0307	630	2,37
0,0626	650	5,13	0,0379	630	3
0,0805	657	6,77	0,0429	640	3,43
0,1	663	8,64	0,0559	640	4,63
0,1498	675	13,33	0,0618	650	5,17
0,2	683	18,33	0,0682	650	5,79
0,367	702	35,2	0,0875	650	7,64
			0,0967	650	8,56
			0,112	660	10,09
			0,141	660	13,05
			0,159	660	14,94
			0,163	660	15,49
			0,173	660	16,7
			0,208	670	20,4
			0,239	670	23,9
			0,289	670	29,6

Tabela 2. Charakterystyki wejściowe I_B(U_BE), przejściowe prądowe I_C(I_B) oraz przejściowe

pradowo-napięciowe I_C(U_BE) dla U_CE = 3 i 10 [V].

Rys 2. Charakterystyka wejściowa I_B(U_BE).

Rys 3. Przejściowa charakterystyka prądowo-napięciowa I_C(U_BE).

Rys 4. Przejściowa charakterystyka prądowa I_C(I_B).

Wyznaczanie współczynnika wzmocnienia (dla napięcia kolektora U_C=3 [V]).

IB [mA]	IC [mA]
0	0,0003	1
0,0001	0,0004	#DZIEL/0!
0,0001	0,0009	#DZIEL/0!
0,0001	0,0014	8
0,0002	0,0022	25
0,0003	0,0047	28
0,0004	0,0075	47,5
0,0006	0,017	39,75
0,001	0,0329	56,33333
0,0037	0,185	69,5122
0,0078	0,47	42,42424
0,0144	0,75	131,8182
0,0188	1,33	82,14286
0,0328	2,48	89,18919
0,0365	2,81	87,69231
0,043	3,38	88,46154
0,0534	4,3	90,21739
0,0626	5,13	91,62011
0,0805	6,77	95,89744
0,1	8,64	94,17671
0,1498	13,33	99,60159
0,2	18,33	101,018
0,367	35,2	95,91281

Rys 5. Zależność
.

Dla badanego tranzystora w konfiguracji wspólnego emitera wyznaczono elementy macierzy [h]_e wokół wybranego punktu pracy (I_C = 18,25 [mA], U_CE = 3290 [mV]):

zwarciowa rezystancja wejściowa tranzystora:

współczynnik oddziaływania wstecznego:

zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego:

rozwarciowa konduktancja wyjściowa:

Transkonduktancja tranzystora g_m zdefiniowana następująco wynosi:

2. Na podstawie pomiarów wykreślono następujące charakterystyki statyczne

tranzystora w konfiguracji wspólnego emitera dla połączenia inwersyjnego.

IB=0,0001		IB=0,0003
IE	UEC	IE	UEC
11,9	7,2	21,5	3
12	7,3	28	3,8
19,5	12,3	32,3	4,3
21,7	13,7	39,7	5
24,5	16,2	51,5	6,4
28	19,2	67,1	8,2
32,7	24,2	72,2	9
39	31,2	85,1	10,7
41	36,4	97	12,3
42,2	38,8	116	15,3
45,3	45,4	164	24,3
47,1	51,1	176	27,3
49,9	61,3	190	31,3
52	74,1	206	36,1
53,3	91,1	231	47
54,2	99,9	263	71,2
55,2	135,9	275	93,2
56,8	160	279	108,4
56,9	198	284	188
57,2	229	285	229
57,3	313	286	299
57,4	379	287	404
57,6	489	288	532
57,8	563	289	693
57,9	601	290	757
58,1	702	291	800
58,3	799	292	879
58,5	892	293	960
59,2	1219	294	1104
59,6	1467	295	1194
60	1702	296	1304
60,6	2080	297	1423
61,2	2370	298	1500
62	2890	299	1700
63,2	3440	300	1820
64,5	3830	302	2010
65,7	4340	304	2280
68,5	4700	306	2600
70,5	4980	308	2730
72,6	5220	310	2990
76,1	5590	312	3120
83,5	6070	315	3330
92,9	6580	319	3610
105,5	7040	322	3770
153	7920	325	3940
220	8270	332	4210
		340	4470
		360	4920
		406	5570
		442	5900
		472	6120
		535	6480
		605	6730
		714	7010
		1162	7490

Tabela 3. Charakterystyki wyjściowe I_E(U_EC) dla I_B = 100, 300
tranzystora w połączeniu

inwersyjnym.

Rys 6. Charakterystyka wyjściowa I_E(U_EC) (tranzystor w połączeniu inwersyjnym).

Dla danej konfiguracji został wyliczony (metodą przyrostów) współczynnik wzmocnienia prądowego dla punktu U_CE = 1700 [mV] 9punkty wykorzystane do obliczeń zostały w tabeli 3 zaznaczone kolorem zielonym) :

Na podstawie charakterystyki wyjściowej wyznaczone graficznie zostało napięcie Early'ego U_E

w zakresie aktywnym normalnym. Punkty które posłużyły do aproksymacji wykresu to:

IB= 0,0001[mA]		IB=0,0003 [mA]
-31611	0	-33476,5	0
0	56,9	0	284,55
1702	60	1700	299
3440	63,2	2990	310
UEC [mV]	IE [mA]	UEC [mV]	IE [mA]

Rys 7. Wykres przedstawia graficznie wyznaczone napięcie Early'ego (na zasadzie przedłużenia charakterystyk wyjściowych).

Poszczególne napięcia Early'ego wyznaczone metodą graficzną wynoszą odpowiednio dla poszczególnych prądów: U_E = -31611 [mV] (dla I_B= 0,0001[mA]) ;

U_E = -33476,5 [mV] (dla I_B= 0,0003 [mA])

Wnioski:

• charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego wyznaczone doświadczalnie swym kształtem i zbliżonymi wartościami przypominają charakterystyki teoretyczne co świadczy o poprawnie wykonanym ćwiczeniu;

• doświadczalnie wyznaczone napięcia Early'ego tranzystora bipolarnego npn leżą bardzo blisko siebie oraz wartościami są zbliżone do teoretycznych wartości napięcia, które dla tego rodzaju tranzystorów zawiera się w przedziale od ok. 80 ... 200 V;

• rys 5 przedstawia wykres zależności
  ; dwa punkty
  I_C = 0,75 [mA] oraz
  I_C = 0,47 [mA] są nieco oddalone od prawidłowego przebiegu; taki efekt jest wywołany zmianą zmiana skali urządzeń pomiarowych podczas wykonywania doświadczenia;

---