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.