Zdejmowanie charakterystyk tranzystora
I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania
1. Rodzaje półprzewodników i ich własności.
2. Model pasmowy półprzewodników.
3. Przewodnictwo samoistne i domieszkowe półprzewodników
4. Działanie złącza p-n.
II. Wprowadzenie
Działanie tranzystora warstwowego
Własności złączy p-n wykorzystano również w triodzie półprzewodnikowej zwanej tranzystorem. Obecnie stosuje się wiele odmian tranzystorów. Dzielimy je na unipolarne i bipolarne. Zajmiemy się jedynie zasadą działania tranzystorów bipolarnych, w których występują dwa rodzaje nośników ładunku elektrycznego.
Tranzystor bipolarny posiada dwa złącza p-n, wytworzone w monokrysztale w niewielkiej od siebie odległości. W zależności od rozmieszczenia poszczególnych rodzajów półprzewodnika wyróżniamy tranzystory typu p-n-p i n-p-n. Rozmieszczenie warstw oraz ich nazwy przedstawiono na rys. 1.
emiter baza kolektor
n
p
n
p
n
p
E
C
E
C
B
B
C
C
B
B
E
E
typ n - p - n
typ p - n - p
Rys. 1. Budowa tranzystorów n-p-n i p-n-p
Na rys. 2 uwidoczniono jeden ze sposobów podłączenia tranzystora do obwodu, który zwiemy układem ze wspólną bazą.
E
C
n
p
n
I e
I c
B
I b
+
+
Rys. 2. Schemat podłączenia tranzystora do obwodu ze wspólną bazą
Złącze emiter - baza polaryzuje się w kierunku przewodzenia, a złącze kolektor - baza w kierunku zaporowym. W tranzystorze grubość warstwy zawartej między dwoma 1
złączami, czyli bazy jest mała w porównaniu z długością drogi nośników większościowych emitera. Wówczas własności złącz są wzajemnie zależne. Przy zbyt oddalonych złączach układ zachowywałby się jak dwie diody. Ponadto obszar emitera zawiera o kilka rzędów więcej nośników większościowych niż obszar bazy.
Działanie tranzystorów n-p-n oraz p-n-p jest podobne. Różnią się one tym, że w tranzystorach n-p-n nośnikami ładunku elektrycznego przepływającego przez bazę są elektrony, natomiast w tranzystorach p-n-p - dziury. Zasadę działania tranzystora omówimy na przykładzie typu n-p-n. Pod wpływem napięcia dostarczanego z baterii zasilającej obwód emitera, włączonego w kierunku przewodzenia, przez złącze n-p przepływa strumień elektronów, które tworzą prąd emitera o natężeniu Ie . Dzięki bardzo małej grubości bazy prawie wszystkie elektrony przepływające z emitera do bazy dostają się w obręb silnego pola drugiego złącza i przepływają do kolektora, tworząc prąd kolektorowy o natężeniu Ic . Jedynie nieznaczna ich część, około 2% rekombinuje z większościowymi nośnikami bazy. Możemy, więc napisać I =
e
Ic . Jeżeli dodatkowo
do obwodu emitera dołączymy źródło zmiennego napięcia, wówczas następuje zmiana prądu emitera, która wywołuje zmianę prądu kolektora. Oznaczmy zmianę prądu emitera przez I
∆ e, a wywołaną przez nią zmianę prądu kolektora przez I
∆ c . Zmiana
napięcia na złączu emiter - baza
U
∆
= ∆
be
Ie b
R e
gdzie: b
R e - opór elektryczny emiter - baza w kierunku przewodzenia.
Natomiast zmiana napięcia na złączu kolektorowym:
U
∆
= ∆
bc
Ic b
R c
gdzie: b
R c - opór elektryczny złącza kolektor-baza dla kierunku zaporowego.
Współczynnik wzmocnienia napięcia, który oznaczamy przez U
k definiujemy
następująco:
U
∆
R
bc
bc
=
U
k
≈
(1)
U
∆ be
b
R e
Opór elektryczny złącza kolektor - baza w kierunku zaporowym jest znacznie większy od oporu złącza emiter - baza w kierunku przewodzenia. Zatem współczynnik wzmocnienia napięcia jest wielokrotnie większy od jedności.
Oprócz układu ze wspólną bazą stosuje się układy ze wspólnym emiterem i kolektorem (rys. 3).
a) emiterem b) kolektorem E
B
C
+
Ue
B
U
C
C
+
E
UC
+
+
Ub
Rys. 3. Schemat podłączenia tranzystora do obwodu ze wspólnym: a) emiterem, b) kolektorem
2
Celem ćwiczenia jest otrzymanie charakterystyk statycznych tranzystora w układzie ze wspólnym emiterem.
1. Zmontować układ wg schematu (rys. 4). Baza tranzystora zasilana jest napięciem pobieranym
z
6-woltowego
zasilacza
przez
dzielnik
napięcia
1
P .
Mikroamperomierz mierzy prąd bazy Ib począwszy od kilkudziesięciu mikroamperów do 1mA. Prąd kolektora Ic płynący przez miliamperomierz 2
A ma
wartość kilkunastu miliamperów. Do zasilania kolektora służy zasilacz stabilizowany z możliwością ograniczenia prądu.
+
+
+
C
mA
A 1
I C
P
+
A
B
2
1
+
µA
U
V
Uce
be
I b
E
I e
Rys. 4. Schemat obwodu służącego do zdejmowania charakterystyk tranzystora 2. Zdjąć charakterystykę I =
=
c
f ( Ib ) przy U
const
ce
. W tym celu pokrętłem
regulacji napięcia w zasilaczu ustalić odpowiednie napięcie kolektora. Dzielnikiem napięcia 1
P zmieniać prąd bazy Ib i odczytywać odpowiadające mu wartości prądu kolektora I c . Pomiary powtórzyć dla trzech różnych napięć Uce wskazanych przez prowadzącego ćwiczenia.
3. Zdjąć charakterystykę I =
Ib =
c
f ( Uce ) przy
const . W tym celu dzielnikiem
napięcia
1
P dobrać prąd bazy Ib , dla którego mierzona będzie zależność I =
c
f ( Uce ), napięcie kolektora zmienia się pokrętłem regulacji napięcia w zasilaczu. Przy odczytywaniu wskazań mierników
2
A i woltomierza należy
sprawdzić czy nie ulega zmianie prąd bazy i ewentualnie skorygować go dzielnikiem 1
P . Pomiary należy przeprowadzić dla trzech wartości prądu bazy Ib wskazanych przez prowadzącego ćwiczenia.
Tabele pomiarowe
Uce =
Uce =
Uce =
Ib
I c
Ib
I c
Ib
I c
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
3
Ib =
Ib =
U ce
I c
U ce
I c
U ce
I c
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
4. Na papierze milimetrowym sporządzić wykres zależności I =
c
f ( Ib ) i I =
c
f ( Ice ) .
Ocenę błędu przeprowadzamy graficznie.
Literatura
M. Leśniak, Fizyka. Laboratorium, wydanie II, Oficyna Wydawnicza PRz, 2002
J. Massalski, M. Massalska, Fizyka dla inż ynierów, t.1, WNT, Warszawa 1980
J. Orear, Fizyka, WNT, Warszawa 1990
Ch. A. Wert, R. M. Thomson, Fizyka ciała stałego, PWN, Warszawa 4