POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
INSTRUKCJA NR4 MD, 2006/7
TRANZYSTOR BIPOLARNY  CHARAKTERYSTYKI
STATYCZNE ORAZ PRACA W UKA
ADZIE WZMACNIACZA
Cel ćwiczenia: Pomiar i analiza charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego npn lub pnp pracującego w
układach wspólnego emitera (WE) lub wspólnej bazy (WB). Zapoznanie studentów z możliwościami pracy tranzy-
stora jako wzmacniacza małych sygnałów.
A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami: Zapoznanie się z treścią poniższej instrukcji. Zapoznanie się z teoretycz-
nymi podstawami działania tranzystora bipolarnego. Przygotowanie - narysowanie schematów układów do pomiaru charakterystyk sta-
tycznych. Przemyślenie sposobu pomiaru charakterystyki przejściowej i częstotliwościowej wzmacniacza jednotranzystorowego w ukła-
dzie wspólnego emitera. Zapoznanie się z definicjami parametrów modelu hybrydowego tranzystora. Wyjaśnić rolę poszczególnych ele-
mentów w układzie wzmacniacza jednotranzystorowego z rys. 8).
B) WPROWADZENIE
W tranzystorze n-p-n złącze n+-p+ jest nazywane złączem emiterowym (sterującym), a obszar n+ emiterem (+ oznacza silne do-
mieszkowanie danego obszaru). Zadaniem emitera jest wstrzykiwanie elektronów do obszaru p+ zwanego bazą. W bazie elektrony stano-
wią nośniki mniejszościowe, i większość z nich uczestniczy w prądzie zaporowym drugiego złącza nazywanego złączem kolektorowym.
Obszar n tego złącza nazywa się kolektorem.
_
+
+
IB
B UCE
UBE
n++ 5 n
4
RE
RC
3
IC
IE
p+
n+ n
1
p+
E C
2
Wb
emiter kolektor b)
a)
baza
Rys. 1 Idea budowy tranzystora n-p-n, (układ WB), a) polaryzacja dla układu WE w stanie aktywnym normalnym; b) rozpływ prądów
tranzystorze: 1-ułamek liczby elektronów ulegających rekombinacji w bazie
2- elektrony wstrzyknięte do bazy i osiągające obszar kolektora
3-nośniki generowane termicznie - zaporowy prąd złącza kolektora
4-dziury dostarczane przez końcówkę bazy rekombinujące z elektronami
5-dziury dyfundujÄ…ce z bazy do emitera
IC[mA]
UCE = 10 V
IB=30µA
h21e IC UCB=0
5
h22e
IB=20µA
UCE = 5V
ICmax N
IB=10µA A
S
IB=30µA Ptot
Y
C
IB=0µA
UCE [V] E IB=20µA
IB[µA]
N
10
0
5
Obszar dozwolony
I
IB=1µA
E
IB=10µA
IB=5µA
IB=0µA
UCE = 5V
ICEO
ODCI
CIE
IB=20µA
UCE
UCEOmax
UCEmax
UCE = 10V 0.8
h11e
h12e
b)
a)
UEB [V]
Rys. 2 a) Rodzina ch-styk dla układu WE; b) dozwolony obszar pracy aktywnej tranzystora: Ptot - dopuszczalna moc admisyjna; ICmax -
maksymalny prąd kolektora; UCEmax - dopuszczalne napięcie kolektor-emiter (typowo 0.8x UCEO); ICEO - prąd zerowy kolektora (granica
pomiędzy odcięciem a zakresem aktywnym); UCEsat - napięcie nasycenia - rozgranicza obszar nasycenia od aktywnego normalnego.
1
Tranzystor jest elementem dwuzłączowym, istnieją 4 różne kombinacje znaków napięć polaryzujących złącza określające jego stany pra-
cy.
 + UBC
AKTYWNY NASYCENIA
 + polaryzacja w stan przewodzenia
INWERSYJNY
 -
UBE
ZAPOROWY/
AKTYWNY  - polaryzacja w stanie zaporowym
 +
ZATKANIE
NORMALNY
 -
Rys. 3 Stany pracy tranzystora bipolarnego.
Tranzystor jako element trójkońcówkowy, musi mieć jedną z końcówek wspólną dla sygnału wejściowego i wyjściowego. Daje
to 3! możliwych kombinacji, aby uzyskać wzmocnienie mocy (jedna z zasadniczych zalet tranzystora) jest konieczne by baza była jedną z
końcówek wejściowych a kolektor jedną z wyjściowych. Ogranicza to ilość użytecznych kombinacji do trzech.
EC
C
E
B B
WY WY
WY
WE
WE
WE
B
C
E
Wspólna baza
Wspólny emiter Wspólny kolektor
Rys. 4 Układy pracy tranzystora bipolarnego.
Prądy zerowe: Przy polaryzacji zaporowej któregokolwiek ze złącz tranzystora płyną przez to złącze prądy wsteczne określane często w
tym przypadku prądami zerowymi. Największe wartości osiąga prąd zerowy pomiędzy zaciskami kolektora i emitera ICEO (zaporowo spo-
laryzowane złącze BC) przy rozwartym zacisku bazy.
I
ICEO
IEBO
ICER
ICEZ
ICEZ = ICEO dla R="
ICBO
ICES dla R=0
ICER dla0+
ICES
+
WE WY - -
WE WY
ICBO
-
R
WE
WY
UCEOmax UCBOmax U
Rys. 5 Układy pomiarowe prądów zerowych. Pomiędzy wartościami prądów zachodzi relacja: ICEO>ICER>ICES>ICBO.
Przebicie tranzystora: Dla złącza kolektorowego określane jest napięcie przebicia UCBO przy rozwartym emiterze (rzędu co najmniej kil-
kudziesięciu woltów - przebicie o charakterze lawinowym z uwagi na słabsze domieszkowanie obszaru kolektora). Dla złącza emiterowego
określane jest napięcie przebicia UBEO przy rozwartym kolektorze (przebicie o charakterze Zenera  emiter silnie domieszkowany, napięcie
przebicia poniżej 7 V). W tranzystorze może też wystąpić zjawisko tzw. przebicia skrośnego  zanim natężenie pola eklektycznego w war-
stwie zaporowej osiągnie wartość krytyczną cały obszar neutralny bazy może zostać zajęty przez warstwę zaporową złącza BC. Innym
efektem jest tzw. przebicie wtórne związane z przepływem przez strukturę zbyt dużego prądu.
Praca tranzystora w układzie wzmacniacza WE
u
1
h11 = Impedancja wejściowa
i
1
u2=0
i1 u
i2
1
h12 = współczynnik oddziaływania zwrotnego
Tranzystor jako
u
2
i1=0
czwórnik liniowy
u2
u1
i
2
h = Współczynnik wzmocnienia prądowego
21
i
1
u2=0
i
2
Rys. 6 Tranzystor jako czwórnik. h = Admitancja wyjściowa
22
u
2
i1=0
2
Równania czwórnikowe można przedstawić za pomocą równoważnej sieci elektrycznej:
ib
ic
C
B
Indeks przy symbolu h oznacza:
h11e
h12euce
ube
b - układ WB h22e uce
e - układ WE
h21eib
E
c - układ WC
E
Rys. 7. Sieć elektryczna równoważna równaniom hybrydowym dla układu WE. Wartości parametrów zależą od układu włączenia tranzy-
stora, rodzaj układu włączenia oznaczany jest dodatkowym trzecim indeksem literowym. Wartości parametrów w poszczególnych ukła-
dach włączenia można wzajemnie przeliczać na podstawie zależności dostępnych w literaturze.
i "I i "I
c C c C
h = H" h = H"
Ponieważ:
22e 21e
u "U i "I
ce CE b B
ib=0 uce=0
I = const U = const
B ce
u "U u "U
be BE be BE
h11e = H" h12e = H"
i "I u "U
b B ce CE
uce=0 ib=0
U = const I = const
CE B
Dysponując zmierzonymi charakterystykami statycznymi tranzystora można łatwo te parametry wyznaczyć (Rys. 2)
Jest to duża zaleta modelu hybrydowego.
Przykładowe wartości przyjmowane przez parametry czwórnikowe typu h, oraz przybliżone relacje pomiędzy parametrami typu h i para-
metrami innego popularnego modelu  modelu typu hybryd Ä„ podajÄ… tabelki:
h11e = 1k&!
h11e = rbb + rb e H" rb e
h12e = 10-4 V/V
h12e = ²(gb c /gm)
h21e =50-500A/A
h21e H" ²
h22e = 10-4 - 10-5 S
h22e H" gce
Te i inne, równoważne modele znajdują zastosowanie podczas analizy układów pracy z tranzystorami bipolarnymi, na przykład układu
wzmacniacza małych sygnałów:
+ 15V
b)
UCC = 5 V
a)
R1 = 330k RC
Rc = 1k
C2 WY
WY
Rb = 10k
WE
T1
Rb = 10k
WE
Tranzystor
R0 =
badany C1 = 1,5µF
100k
eg(t)
R2 = 100k
CE = 220µF
RE = 3,3k
Rys. 8 Tranzystor bipolarny npn w układzie wzmacniacza WE. a) układ inwertera do pomiaru charakterystyki przejściowej,
b) wzmacniacz jednotranzystorowy.
3
C) POMIARY
1. Pomiary wykonać dla jednego tranzystora i układu pracy wskazanego przez prowadzącego.
2. Podczas pomiarów zwracać uwagę na utrzymywanie stałej wartości parametrów.
3. Pomiary przeprowadzić w możliwie szerokim zakresie dopuszczalnych prądów i napięć, w razie wątpli-
wości wartości te należy uzgadniać z prowadzącym zajęcia.
4. Na każdą krzywą powinno przypadać nie mniej niż 15 punktów pomiarowych.
1. Określić typ (npn - pnp) oraz rozkład wyprowadzeń końcówek tranzystora przy pomocy testera złącz.
Układ wspólnego emitera
2. Zestawić układ pomiarowy do zbadania charakterystyk statycznych tranzystora pracującego w układzie WE.
3. Zmierzyć charakterystyki: wejściową UBE (IB)ćłUCE=const , przejściową IC (IB)ćłUCE=const. Charakterystyki te
można wyznaczyć jednocześnie, zmieniając prąd wejściowy IB i mierząc równocześnie napięcie wejściowe
UBE oraz prąd wyjściowy IC. Pomiary wykonać dla trzech wartości parametru UCE . Zmierzyć charaktery-
styki: wyjściową IC(UCE)ćłIB=const, oddziaływania zwrotnego UBE(UCE)ćłIB=const. Charakterystyki te można
wyznaczyć jednocześnie, zmieniając napięcie wyjściowe UCE i mierząc równocześnie prąd wyjściowy IC oraz
napięcie wejściowe UBE. Pomiary wykonać dla trzech wartości parametru IB . Ze szczególną uwagą należy
wykonać pomiary w zakresie nasycenia.
Układ wspólnej bazy
4. Zestawić układ pomiarowy do zbadania charakterystyk statycznych tranzystora pracującego w układzie WB.
5. Zmierzyć charakterystyki: wejściową UBE(IE)ćłUCB=const. oraz przejściową IC(IE)ćłUCB =const . Charakterystyki te
można wyznaczyć jednocześnie, zmieniając prąd wejściowy IE i mierząc równocześnie napięcie wejściowe
UBE oraz prąd wyjściowy IC. Pomiary wykonać dla trzech wartości parametru UCB.
6. Zmierzyć charakterystyki: wyjściową IC(UCB)ćłIE=const oraz oddziaływania zwrotnego UBE(UCB)ćłIE=const w
zakresie aktywnym. Można je wyznaczyć jednocześnie, zmieniając napięcie wyjściowe UCB i mierząc równo-
cześnie prąd wyjściowy IC oraz napięcie wejściowe UBE . Po wyznaczeniu charakterystyk wyjściowych w ob-
szarze pracy aktywnej zmierzyć te charakterystyki w zakresie nasycenia (po zmianie polaryzacji złącza kolek-
torowego).
Charakterystyki prądów zerowych, wyznaczenie napięcia przebicia złącz
7. Zmierzyć charakterystyki prądowo-napięciowe złącz BE i BC w obu kierunkach. Odpowiednio dokładne po-
miary powinny umożliwić wyznaczenie charakterystyk prądów ICB0(UCE) oraz IEB0(UBE), a także co najmniej
jednego z napięć przebicia złącz. W trakcie pomiarów należy pamiętać o zabezpieczeniu układów badanych za
pomocÄ… odpowiednio dobranego rezystora dekadowego.
8. Zmierzyć charakterystyki ICER(UCE) dla przypadków R=0, 0Wyznaczenie charakterystyki częstotliwościowej i częstotliwości granicznych wzmacniacza tranzy-
storowego w układzie WE
9. W oparciu o dostępne w laboratorium podstawki zestawić układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki przej-
ściowej Uwy = f(Uwe) wzmacniacza w układzie wspólnego emitera (rys. 8a). Pomiary przeprowadzić zasilając
wejście i wyjście układu z zasilaczy stabilizowanych metodą  punkt po punkcie .
10. W oparciu o schemat przedstawiony na rys. 8b) zestawić układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki ampli-
tudowej ku = f(f) wzmacniacza w układzie wspólnego emitera. Pomiary wykonać dla wartości pojemności C2 i
rezystancji RC podanych przez prowadzącego. Pomiary ponowić przy podwojonej wartości C2 i rezystancji RC
o połowę mniejszej niż podane poprzednio. Pomiary częstotliwości wykonywać należy częstościomierzem a
amplitudy sygnałów wejściowego i wyjściowego za pomocą oscyloskopu.
4
D) SCHEMATY POMIAROWE
mA mA
+
+
ZASILACZ
V ZASILACZ
V
-
-
a) Układ WE, tranzystor npn
mA mA
-
+
ZASILACZ
V ZASILACZ
V
+
-
b) Układ WB, tranzystor pnp
mA mA
-
-
ZASILACZ ZASILACZ
V
V
+ +
c) Układ WE, tranzystor pnp
mA mA
+
-
ZASILACZ ZASILACZ
V
V
-
+
d) Układ WB, tranzystor pnp
mA
+
V
ZASILACZ
R
-
e) układu do pomiaru prądów ICER (tranzystor npn).
E) Parametry katalogowe przykładowych typów tranzystorów. Jeżeli pomiary w laboratorium dotyczą innych typów
tranzystorów  ich dane należy odszukać samodzielnie w katalogu elementów półprzewodnikowych.
UCEmax ICEmax IBmax UCBmax UEBma Ptot [W] tjmax UCESAT h21E fT Rthj-c TYP
[C/W]
[V] [A] [A] [V] [V] [C] [V] [Mhz]
25-200
BDP281 30 7 3 40 5 40 tc=25 0C 150 1 4 3.1 npn
25-200
BDP282 30 7 3 40 5 40 tc=25 0C 150 1 10 3.1 pnp
40-250
BD 135 45 0.5 0.1 45 5 6.5tc=40 0C 125 0.5 200 10 npn
40-250
BD 136 45 0.5 0.1 45 5 6.5tc=40 0C 125 0.5 150 10 pnp
BC 211 40 1 0.1 80 5 4.25 175 1 6-250 50 35 npn
BC 313 40 1 0.1 80 5 4.25 175 1 6-250 50 35 pnp
F) OPRACOWANIE I ANALIZA WYNIKÓW:
1. Narysować (wydrukować) wszystkie zmierzone charakterystyki.
2. Na podstawie charakterystyk złącz BE, BC narysowanych w skali logarytmiczno-liniowej i wyznaczyć współczyn-
niki złącza oraz  prądy zerowe i rezystancję szeregową.
3. Na podstawie charakterystyk statycznych wyznaczyć parametry schematu zastępczego z parametrami mieszanymi
typu h dla wybranego punktu pracy tranzystora.
4. Narysować charakterystyki prądów zerowych. Sprawdzić teoretyczną zależność pomiędzy ICE0 oraz ICB0.
5. Porównać uzyskane wyniki z danymi katalogowymi.
6. Skomentować charakterystyki przejściowe i częstotliwościowe wzmacniacza. Wyznaczyć częstotliwości graniczne.
7. Dokonać kompleksowej analizy uzyskanych wyników.
Literatura pomocnicza:
1. W. Marciniak  Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone
2. W. Marciniak  Modele elementów półprzewodników
3. A. Kusy  Podstawy elektroniki
4. Gray P.E.,Searle C.L.-  Podstawy elektroniki
5. Kołodziejski J. Spiralski L. Stolarski E.  Pomiary przyrządów półprzewodnikowych
5