POLITECHNIKA ÅšWI
TOKRZYSKA
W KIELCACH
WYDZIAA
ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI I INFORMATYKI
KATEDRA ELEKTRONIKI I SYSTEMÓW INTELIGENTNYCH
LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI
INSTRUKCJA LABORATORYJNA
ĆWICZENIE NR 4:
BADANIE TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH
KIELCE 2006
1. Wstęp teoretyczny
Tranzystor bipolarnym zwany też warstwowym, stanowi kombinację dwóch półprzewodnikowych
złączy p-n, wytworzonych w jednej płytce półprzewodnika. Procesy zachodzące w jednym złączu
oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku elektrycznego są dziury i elektrony. Tranzystory bipolarne
wykonywane są najczęściej z krzemu, rzadziej z germanu. Ze względu na kolejność ułożenia warstw
półprzewodnika rozróżniamy:
" tranzystory n-p-n (rys.1a),
" tranzystory p-n-p (rys.1b).
Mogą one być z:
" jednorodnÄ… bazÄ… (dyfuzyjny),
" niejednorodnÄ… bazÄ… (dryfytowy).
Zasada działania tranzystora n-p-n i p-n-p jest jednakowa, różnice występują tylko w polaryzacji
zewnętrznych z
ródeł napięcia i kierunku przepływu prądów.
Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje
powstanie dwóch złączy: p-n i n-p. W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika
mają swoją nazwę: B  baza, E  emiter, C  kolektor. A złącza nazywa się
" złączem emiterowym (złącze emiter-baza);
" złączem kolektorowym (złącze baza-kolektor).
Struktura półprzewodnikowa tranzystora jest umieszczana w hermetycznie zamkniętej obudowie
metalowej, ceramicznej lub plastykowej. Obudowa ta chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi, jak
również spełnia inne funkcje, np. w tranzystorach średniej i dużej mocy umożliwia skuteczne
odprowadzenie ciepła.
C C
a) b)
C C
n p
p n
B B B B
n p
E
E
E E
Rys. 1. Model struktury i symbole graficzne tranzystora bipolarnego.
a), n-p-n b) p-n-p.
1.1. Układy pracy tranzystora
Zależnie od doprowadzenia i wyprowadzenia sygnału rozróżniamy trzy sposoby włączenia
tranzystora do układu:
" układ ze wspólnym emiterem WE (OE) ,
" układ ze wspólną bazą WB (OB),
" układ za wspólnym kolektorem WC (OC).
- 2 -
 a) WE b) WB c) WC
C E C E
B B
Uwy Uwe Uwy Uwy
Uwe Uwe
E B C
Rys.2. Układy pracy tranzystora. a) ze wspólnym emiterem (WE),
b) ze wspólną bazą (WB.), c) ze wspólnym kolektorem (WC).
Wybór układu pracy tranzystora jest zależny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora.
Tranzystor pracujący w układzie WE charakteryzuje się:
IC
" dużym wzmocnieniem prÄ…dowym (² = )
IB
" dużym wzmocnieniem napięciowym,
" dużym wzmocnieniem mocy.
" NapiÄ™cie wyjÅ›ciowe jest odwrócone w fazie o 180° w stosunku do napiÄ™cia wejÅ›ciowego.
" Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset &! a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt k&!.
Tranzystor pracujący w układzie WB charakteryzuje się:
" małą rezystancją wejściową,
" bardzo dużą rezystancją wyjściową,
IC
" wzmocnieniem prądowym bliskim jedności ( ą = ).
IE
Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych.
Tranzystor pracujący w układzie WC charakteryzuje się:
" dużą rezystancją wejściową  co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości,
" wzmocnieniem napięciowym równym jedności,
IE
" dużym wzmocnieniem prÄ…dowym (² +1 = ).
IB
1.2. Zasada działania tranzystora
Działanie tranzystora bipolarnego rozpatrzymy na przykładzie stanu aktywnego tranzystora, tzn. gdy
złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza-kolektor spolaryzowane
w kierunku zaporowym. Stan taki jest zapewniony, gdy spełniona jest zależność między potencjałami na
poszczególnych elektrodach: VE < VB < VC  dla tranzystora n-p-n; VE > VB > VC  dla tranzystora p-n-p.
VC VC
VEa) b) VE>VB>VC
IB  prÄ…d bazy
IC  prÄ…d kolektora
UCB UCB
IC IC
IE  prÄ…d emitera
IB IB
UCE  napięcie kolektor-emiter
VB UCE VB UCE
UBE  napięcie baza-emiter
IE IE UCB  napięcie kolektor-baza
UBE UBE
VE  potencjał emitera
VB  potencjał emitera
VE VE
VC  potencjał kolektora
Rys. 3. Oznaczenie rozpływu prądu i spadki napięcia w tranzystorze: a) n-p-n, b) p-n-p
- 3 -
E B C
R R
ICB0
IE
IB
E E
IC
Rys. 4. Zasada działania tranzystora n-p-n. (IB  prąd bazy, IC  prąd kolektora, ICB0  zerowy prąd
kolektora, IE  prÄ…d emitera)
W wyniku przyłożenia napięć do elektrod tranzystora, elektrony jako nośniki większościowe
przechodzą z emitera do bazy, gdzie stają się nośnikami mniejszościowymi i część z nich rekombinuje z
dziurami wprowadzanymi przez kontakt bazy. Elektrony przechodzące przez złącze emiter-baza mają
określone prędkości i jeżeli obszar bazy jest wąski, to prawie wszystkie przejdą do kolektora, gdzie staną
się ponownie nośnikami większościowymi i zostaną usunięte z obszaru kolektora do obwodu
zewnętrznego. Stosunek ilości nośników (elektronów) przechodzących do kolektora, do ilości nośników
(elektronów) wstrzykiwanych z emitera do bazy, nazywamy współczynnikiem wzmocnienia prądowego i
oznaczamy Ä….
W zakresie czynnej pracy złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze
kolektor-baza - zaporowo, zatem w obwodzie kolektora będzie płynąć prąd nawet przy rozwartym
obwodzie emitera. Prąd zerowy w układzie (WB)- wspólnej bazy - oznaczony przez ICB0. Jeżeli
doprowadzimy napięcie do emitera i kolektora, jak to ma miejsce w układach wspólnego emitera (WE) i
wspólnego kolektora (WC), to popłynie prąd ICEO o znacznie większej wartości w porównaniu z prądem
ICB0 (rys. 5.).
C IC C IC
a) b)
ICB0
I I
C C
ICB0 IB
IB
B B
EC EC
EB IE EB IE
E E
Rys. 5. Prądy w tranzystorze spolaryzowanym napięciami EB i EC:
a) tranzystor typu n-p-n b) tranzystor typu p-n-p,
Stosując konwencjonalne kierunki oznaczeń prądów (rys.3.), dla tranzystora typu p-n-p mamy
I - I - IC = 0 , zaś dla tranzystora n-p-n - I + I + IC = 0 . Z uwagi na to, że złącze kolektor-baza
E B E B
jest spolaryzowane zaporowo, to przez nie płynie, podobnie jak w diodzie, prąd nośników
'
mniejszościowych ICB0, powiększający prąd IC. Zatem mamy IC = IC - ICB0
- 4 -
Związek pomiędzy prądem IC a prądem emitera IE jest określony przez współczynnik wzmocnienia
'
IC IC - ICB0
prądowego, oznaczany przez ą = = . Współczynnik ą jest nazywany wzmocnieniem
IE IE
prądowym dla dużych sygnałów tranzystora pracującego w układzie wspólnej bazy. Typowe wartości ą
mieszczą się w zakresie od 0,90 do 0,995. Należy podkreślić, że współczynnik ą nie jest stały i zmienia
się w funkcji prądu emitera IE, napięcia kolektora UCB i temperatury.
Innym ważnym parametrem, o którym trzeba wspomnieć jest współczynniki wzmocnienia prądowego
tranzystora w układzie wspólnego emitera. W niskich temperaturach można przyjąć, że ICB0 =0 wtedy
IC Ä…
stosunek prÄ…du kolektora do prÄ…du bazy przyjmie postać: = = ² . Ten parametr ma duże
I 1 - Ä…
B
znaczenie podczas obliczania polaryzacji i stabilizacji układów tranzystorowych. Nosi on także nazwy:
wielosygnałowv współczynnik zwarciowego wzmocnienia prądowego dla składowych stałych lub
statyczny współczynnik wzmocnienia prÄ…dowego. OkreÅ›la siÄ™ go jako h21e. Poza współczynnikiem ²,
który dotyczy sygnałów dużych, mamy współczynnik ²0 okreÅ›lany przez h21e. Jest on, maÅ‚osygnaÅ‚owym
współczynnikiem zwarciowego wzmocnienia prądowego i jest zdefiniowany jako stosunek przyrostu
prądu kolektora "IC do małego przyrostu prądu "IB w danym punkcie pracy, przy ustalonym napięciu
"IC
kolektor-emiter (UCE): ²0 = = h21e
"I
B
UCE =const
Współczynnik zwarciowego wzmocnienia prądowego h21e dla małych sygnałów w układzie WE
znajduje zastosowanie do analizy układów wzmacniaczy małych sygnałów, nosi on też nazwę
małosygnałowego współczynnika wzmocnienia prądowego.
1.3. Polaryzacja i charakterystyki tranzystora bipolarnego.
Polaryzacja tranzystora bipolarnego zależy od typu tranzystora (n-p-n , p-n-p) i przewidywanego
zastosowania. W zależności od sposobu spolaryzowania złącz tranzystora, można wyróżnić cztery
zakresy jego pracy:
zakres aktywny normalny  złącze emiterowe jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, złącze
kolektorowe  w kierunku zaporowym,
zakres nasycenia  oba złącza są spolaryzowane w kierunku przewodzenia,
zakres odcięcia  oba złącza są spolaryzowane zaporowo,
zakres aktywny inwersyjny  złącze emiterowe jest spolaryzowane w kierunku zaporowym, złącze
kolektorowe  w kierunku przewodzenia.
a) b) c) d)
EC EC EC EC
EB EB EB EB
|EB| < |EC| |EB| > |EC| |EB| > |EC| |EB| < |EC|
Rys. 6. Polaryzacja tranzystora typu n-p-n w układzie WE
a) zakres czynny, b) zakres nasycenia, c) zakres odcięcia d) zakres inwersyjny
- 5 -
Ch-ka przejściowa prądowa
Ch-a wyjściowa IC = f (UCE )I =const
B
IC = f (IB )
[mA] IC
Pt0t
10
UCE=1V UCE=5V
IB=50µA
9
8
IB=40µA
P2
7
"IC1
6
"IC2
IB=30µA
P
P
5
P4
P3
4
IB=20µA
P1
3
2
IB=10µA
1
IB=0µA
IB UCE
[V]
60 50 40 30 20 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9
[µA]
0,2
"IB "UCE
0,4
0,6
"UBE2
"UBE1
P1
P
IB=10µA
P
0,8
IB=30µA
UCE=5V
IB=50µA
P3
[V] UBE
P2
P4
UCE=1V
Ch-a wejściowa IB = f (UBE )U =const Ch-a zwrotna napięciowa UBE = f (UCE )I =const
CE B
Rys. 7. Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego n-p-n w układzie WE
Z charakterystyk przedstawionych na rys. 7. można wyznaczyć parametry He tranzystora w punkcie P:
UBE2 - UBE1
"UB1
z charakterystyki wejściowej h11e = =
IB2 - IB1 "IB
UBE4 - UBE3
"UB2
z charakterystyki zwrotnej napięciowej h12e = =
UCE4 - UCE3 "UCE
IC2 - IC1
"IC1
z charakterystyki przejściowej prądowej h21e = =
IB2 - IB1 "IB
IC4 - IC3
"IC2
z charakterystyki wyjściowej h22e = =
UCE2 - UCE1 "UCE
- 6 -
2. Przebieg ćwiczenia
2.1. Wyznaczanie charakterystyk tranzystora bipolarnego n-p-n (lub p-n-p)
Schemat pomiarowy.
RC
mA
T
RB
µA
VC
EC
EB
VB
Rys. 8. Układ do pomiaru statycznych charakterystyk tranzystora bipolarnych n-p-n
RC
mA
T
RB
µA
VC
EC
EB
VB
Rys. 9. Układ do pomiaru statycznych charakterystyk tranzystora bipolarnych p-n-p
Sposób przeprowadzenia pomiarów.
" Połączyć układ pomiarowy przedstawiony na rys.8. (RB=220k&!, RC=1k&!, T - tranzystor bipolarny
n-p-n BC 107) lub na rys.9. (RB=220k&!, RC=1k&!, T  tranzystor bipolarny p-n-p BC177)
" Wykonać pomiary statycznych charakterystyk tranzystora bipolarnych. Pomiar polega na:
dokładnym ustawieniu regulowanym zasilaczem EB odpowiedniego prądu bazy IB
(mikroamperomierz µA), dokÅ‚adnym ustawieniu regulowanym zasilaczem EC odpowiedniego
µ
µ
µ
napięcia UCE (woltomierz VC) i odczytaniu napięcia UBE (woltomierz VB) i prądu kolektora IC
(miliamperomierz mA). Wyniki należy zamieścić w tabeli 1. Pomiary należy powtórzyć dla
wszystkich wartości prądu bazy IB i napięcia kolektor emiter UCE określonych w tabeli 1. Wartości
napięcia UBE należy odczytywać z możliwie największą dokładnością.
" Po wykonaniu pomiarów w całym zakresie zmienności napięcia UCE i prądu IB jest możliwe
wykreślenie wszystkich charakterystyk statycznych tranzystora: wejściowej
IB = f (UBE )U =const , przejściowej prądowej IC = f (IB )U =const , wyjściowej
CE CE
IC = f (UCE )I =const , zwrotnej napięciowej UBE = f (UCE )I =const
B B
- 7 -
Tabele pomiarowe
Tabela 1. Pomiar charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego.
IB=1µA IB=5µA IB=10µA IB=15µA IB=20µA IB=25µA IB=30µA IB=35µA IB=40µA IB=45µA
Lp.
UCE IC UBE IC UBE IC UBE IC UBE IC UBE IC UBE IC UBE IC UBE IC UBE IC UBE
[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 należy zamieścić:
1. Schemat pomiarowy realizowany na ćwiczeniu.
2. Tabele pomiarowe z wynikami.
3. Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego sporzÄ…dzone na podstawie przeprowadzonych
pomiarów. Rodzina charakterystyk wyjściowych powinna zawierać wszystkie wyznaczone krzywe,
pozostałe rodziny charakterystyk po trzy krzywe.
4. Wyznaczenie parametrów He w układzie WE - dla określonego punktu P (IB, UCE określa prowadzący
zajęcia). W tabeli pomiarowej należy zaznaczyć (np. pogrubić) pomiary (punkty P1, P2, P3, P4),
które posłużyły do wyznaczenia parametrów He. Na wykreślonych charakterystykach statyczne
tranzystora bipolarnego zaznaczyć punkty P oraz P1, P2, P3, P4.
"UBE "UBE "IC "IC
h11e = h12e = h21e = h22e =
"IB UCE = const "UCE IB = const "IB UCE = const "UCE IB = const
5. Obliczenie parametrów Hb, w układzie WB i Hc w układzie WC
Dla układu WB:
h11e h11e Å" h22e h21e h22e
h11b = h12b = - h12e h21b = h22b =
1 + h21e 1 + h21e 1 + h21e 1 + h21e
Dla układu WC:
h11c = h11e h12c = 1 - h12e h21c = -(1 + h21e ) h22c = h22e
6. Wnioski i spostrzeżenia po przeprowadzonym ćwiczeniu i opracowaniu wyników pomiarów.
- 8 -