Tranzystor bipolarny

Nazwa tranzystor wywodzi się z j. angielskiego: TRANSfer resISTOR co oznacza element transformujący rezystancję. Tak nazywano pierwszy półprzewodnikowy element wzmacniający, będący funkcjonalnym odpowiednikiem triody (1948r. Bardeen i Brattain).

Nazwa tranzystor bipolarny obejmuje tranzystory o strukturze p-n-p lub n-p-n,
w których działaniu istotną rolę odgrywają jednocześnie oba rodzaje nośników (dziury i elektrony). W cztery lata po odkryciu tranzystora bipolarnego Shockley opisał triodę półprzewodnikową działającą na zupełnie odmiennej zasadzie. Ten element nazwano tranzystorem unipolarnym, gdyż w jego działaniu istotny udział ma tylko jeden rodzaj nośników (dziury lub elektrony). Tranzystor unipolarny nazywany również polowym lub skrótowo FET (ang. Field Effect - Transistor), nie jest już elementem „transformującym rezystancję” w takim sensie jak tranzystor bipolarny.

Tranzystor jest to co najmniej (i przeważnie) trójkońcówkowy element półprzewodnikowy zdolny do wzmocnienia sygnałów prądu stałego i zmiennego. Każdy tranzystor jest zatem wzmacniaczem, czyli przyrządem umożliwiającym sterowanie większej mocy mniejszą.

Aby nastąpił efekt wzmocnienia konieczne są dwie rzeczy: źródło energii i przyrząd do sterowania przepływem tej energii - wzmacniacze.

Tranzystor jest wzmacniaczem stosowanym zarówno do liniowego (wprost proporcjonalnego) zwiększenia mocy jak i nieliniowego przy czym często dyskretnego (skokowego, kluczującego) sterowania mocy.

Stąd generalnie można wymienić dwa rodzaje zastosowań tranzystorów:

1. liniowe

2. nieliniowe (analogowe nieliniowe oraz impulsowe głównie cyfrowe).

Oprócz tranzystorów bipolarnych i unipolarnych, które mają bardzo liczne zastosowania, rozróżnia się wiele typów tranzystorów (np. jednozłączowe, tyrystory ) przeznaczonych tylko do pewnych zastosowań specjalnych.

Konstrukcja i technologia tranzystora bipolarnego.

Najważniejsze z rozwiązań konstrukcyjno - technologicznych tranzystorów bipolarnych to:

1. tranzystor ostrzowy

2. tranzystor wyciągany

3. tranzystor stopowy

4. tranzystor mesa (stopowo-dyfuzyjny)

5. tranzystor planarny

6. tranzystor epitaksjalno-planarny (epiplanarny wytworzony metodą podwójnej dyfuzji)

Współcześnie wytwarzane tranzystory mają przeważnie strukturę epiplanarną, dlatego omówimy ten rodzaj konstrukcji. Inne konstrukcje - w zasadzie historyczne.

Cała teoria działania tranzystora bipolarnego, opracowana w latach pięćdziesiątych, dotyczyła tranzystora stopowego, który charakteryzuje się równomiernym rozkładem koncentracji domieszek w bazie. Tranzystory planarne i epiplanarne mają nierównomierny rozkład (wytwarzane metodą podwójnej dyfuzji), koncentracji domieszek w bazie, co istotnie wpływa na działanie i właściwości tych tranzystorów. W związku z tym przyjęto podział tranzystorów bipolarnych na:

1. tranzystory z jednorodną bazą (bezdryftowe lub dyfuzyjne)

2. tranzystory z niejednorodną bazą (dryftowe)

Ponieważ tranzystor epiplanarny jest tranzystorem z niejednorodną bazą ograniczymy się do teorii tranzystora bipolarnego dryftowego.

Rys. 1. Schematyczny przekrój struktury tranzystora epiplanarnego: a.)

rysunek szczegółowy bez zachowania skali, b.) rysunek w skali

Jest to tranzystor n - p - n choć, ściśle biorąc, ma on bardziej złożoną strukturę
n⁺⁺ - p⁺ - n - n⁺⁺. Podłoże typu n⁺⁺ jest to bardzo silnie domieszkowana płytka krzemu o grubości ok. 150 um. Spełnia ono funkcję nośnika mechanicznego dla właściwej struktury tranzystora, a pod względem właściwości elektrycznych wymaga się, by materiał podłoża miał jak najmniejszą rezystywność (chodzi o to, by rezystancja szeregowa kolektora była jak najmniejsza).

Rys. 2. Wyidealizowana jednowymiarowa struktura tranzystora

epiplarnego typu n - p - n i wycinek struktury rzeczywistej

Podstawowe zasady działania tranzystora bipolarnego

Działanie tranzystora można analizować korzystając z wyidealizowanej jednowymiarowej struktury n-p-n będącej wycinkiem struktury rzeczywistej - poprzedni rysunek ( rys.1).

Rozpatrzmy przepływ prądu w tej strukturze przy polaryzacji złącza E-B
w kierunku przewodzenia, a złącza B-C w kierunku zaporowym. Przy takiej polaryzacji tranzystor spełnia funkcję elementu czynnego tj. może służyć do liniowego wzmacniania sygnałów elektrycznych. Najbardziej uproszczony obraz zjawisk zachodzących w tranzystorze przedstawimy na rysunku 3:

Rys. 3. Uproszczona ilustracja zjawisk zachodzących w tranzystorze :

a) obraz fizyczny przepływu prądu,

2. układ włączenia tranzystora pracującego jako wzmacniacz.

Podobnie jak w analizie złącza p-n przyjmujemy, że napięcia polaryzacji U_EB, U_CB odkładają się wyłącznie na odpowiednich warstwach zaporowych.

Wskutek polaryzacji złącza E-B w kierunku przewodzenia z emitera do bazy są wstrzykiwane elektrony. W bazie istnieje tzw. wbudowane pole elektryczne E_Wb, spowodowane nierównomiernym rozkładem koncentracji domieszek.

W rozważanym przypadku koncentracja domieszki akceptowanej ( domieszki !! - nie dziur ) w bazie maleje w kierunku od emitera do kolektora. Dlatego pole elektryczne przeciwdziałające dyfuzji dziur, jest skierowane od potencjału dodatniego przy kolektorze do potencjału ujemnego przy emiterze.

Elektrony wstrzyknięte z emitera do bazy są unoszone przez E_Wb w kierunku kolektora (tu zaznaczmy, że istnienie pola wbudowanego w bazie nie jest warunkiem koniecznym dla pracy tranzystora. W tranzystorze bezdryftowym nie ma pola E_Wb, a transport nośników w bazie (od emitera do kolektora) odbywa się w skutek dyfuzji.

Po przejściu przez bazę elektrony dostają się do warstwy zaporowej złącza B-C,
w której istnieje silne pole elektryczne „wymiatające” te elektrony dalej do obwodu kolektora. Strumień elektronów wstrzykiwanych z emitera do bazy tworzy prąd emitera w obwodzie wejściowym, a strumień elektronów odbieranych przez kolektor jest równy strumieniowi elektronów wstrzykiwanych przez emiter , czyli prąd kolektora nie zależny od napięcia U_CB lecz jest funkcją napięcia U_EB. Zgodnie z konwencją przyjętą w elektrotechnice prąd jest skierowany przeciwnie do strumienia elektronów. W tak uproszczonym modelu tranzystora prąd wyjściowy I_C jest równy prądowi wejściowemu I_E:

I_C = I_E

czyli współczynnik wzmocnienia prądowego definiowany jako I _wy / I _we:

przy czym α_N jest wzmocnieniem dla prądu stałego. Wzmocnienie dla małych przyrostów prądu jest też równe jedności:

ΔI_C

α = —— = 1

ΔI_E

W tym miejscu trudno oprzeć się odruchowi zwątpienia w jakąkolwiek użyteczność elementu, który bez wzmocnienia przenosi prąd z wejścia do wyjścia. Można jednak łatwo wykazać, że moc wydzielona w obwodzie wyjściowym jest większa niż moc dostarczona do wejścia tranzystora (dostarczona ze źródła sygnału). Zgodnie z układem przedstawionym na ostatnim rysunku (3b) tranzystor jest polaryzowany z baterii U_EE , U_CC, a ponadto w obwodzie wejściowym jest włączone źródło e_g małego sygnału sinusoidalnego. Baterie U_EE , U_CC powodują przepływ prądów stałych I_E , I_C , natomiast ze źródła e_g płynie w obwodzie wejściowym prąd sinusoidalny ί_e

o amplitudzie I_em, który powoduje przepływ prądu sinusoidalnego ί_c

o amplitudzie I_cm, w obwodzie wyjściowym.

Obliczamy moc sygnału sinusoidalnego na wejściu i wyjściu tranzystora.

Moc dostarczona do tranzystora na wejściu:

P_we = I²_em r_we

przy czym : r_we - rezystancja wejściowa tranzystora.

Moc odbierana w obciążeniu R_L:

P_wy = I²_cm R_L

Maksimum mocy w obciążeniu uzyskuje się przy spełnieniu warunku dopasowania:

r_wy = R_L

Uwzględniając poprzednie zależności można wyrazić wzmocnienie mocy
w postaci:

I²_cmR_L I²_cm r_wy

K_P = ———— = —————

I²_emr_we I²_emr_we

I_Cm

Biorąc pod uwagę, że α = ——— , to:

I_Eem

r_wy

k_P = α² ———

r_we

Ponieważ w rozpatrywanym modelu uproszczonym α = 1, więc:

r_wy

k_P = ———

r_we

Stosunek r_wy/r_we wynosi kilka tysięcy , gdyż r_we jest małą rezystancją przyrostową złącza E-B spolaryzowanego w kierunku przewodzenia (rezystancja przyrostowa złącza p-n wynosi _T/I czyli przykładowo w temp. pokojowej przy prądzie emitera I_e = 1mA; r_we = 25 Ω); r _wy zaś jest bardzo dużą rezystancją przyrostową złącza B-C spolaryzowanego w kierunku zaporowym (rzędu kilkuset kilohmów). Tranzystor jest rzeczywiście „elementem transformującym rezystancję” i wzmacniaczem mocy.

Rozpatrzmy teraz nieco dokładniejszy model zjawisk zachodzących w tranzystorze. Przedstawimy go na rysunku 4.

Rys.4. Ilustracja zjawisk zachodzących w tranzystorze z uwzględnieniem prądu

rekombinacji nośników w bazie :

a) obraz strumieni nośników

b) rozpływ prądów w tranzystorze p-n-p i n-p-n

Uwzględniamy tu dodatkowo możliwość rekombinacji elektronóww z dziurami
w obszarze bazy. Jednym z podstawowych założeń wprowadzonych w analizie tranzystora jest zasada obojętności elektrycznej całego obszaru bazy.

Stąd wynika, że liczby elektronów i dziur nadmiarowych w bazie są sobie równe. Jeżeli na przykład z emitera w pewnej chwili wpływa do bazy 100 elektronów, to ładunek ujemny, jaki tworzą te elektrony, przyciąga z najbliższego sąsiedztwa 100 dziur. Niedomiar tych stu dziur „w najbliższym sąsiedztwie” jest uzupełniany przez przepływ dziur z następnych obszarów bazy, aż ostatecznie wpływa 100 dziur z obwodu zewnętrznego przez elektrodę bazy (jest to oczywiście jednoznaczne z usunięciem 100 elektronów z warstwy bazy do obwodu zewnętrznego, gdyż w obwodzie zewnętrznym płynie tylko prąd elektronowy). Cały proces równoważenia się ładunków nośników nadmiarowych przebiega w czasie

τ ≈ 10 ^{- 11}... 10 ^{- 13}s, czyli jest to proces praktycznie natychmiastowy. Dlatego można twierdzić, że zawsze istnieje równowaga ładunku elektronów i dziur nadmiarowych w obszarze bazy. Skorzystajmy teraz z zasady obojętności elektrycznej bazy w celu wyjaśnienia rozpływu prądów, który przedstawiliśmy na rysunku 4. Szybkość strumienia elektronów wpływających z emitera do bazy niech przykładowo wynosi 100 elektronów na sekundę, a szybkość rekombinacji par elektronu - dziura niech będzie 1 para na sekundę. Oznacza to, że w stanie ustalonym w jednej sekundzie wpływa do bazy 100 elektronów z emitera, wypływa 99 do kolektora, a jeden rekombinuje z dziurą. To zaś oznacza ubytek ładunku jednej dziury, który musi być dostarczony do bazy z obwodu zewnętrznego.

Zatem w stanie ustalonym liczba elektronów odbieranych w jednostce czasu przez kolektor jest mniejsza niż liczba elektronów wstrzykiwanych do bazy z emitera, a więc prąd kolektora jest mniejszy niż prąd emitera. Różnica tych dwóch prądów jest spowodowana rekombinacją elektronów z dziurami (nie wszystkie elektrony wstrzyknięte z emitera zdołają dotrzeć do kolektora).

A ponieważ baza musi być obojętna elektrycznie, z zewnętrznego obwodu do bazy wpływa strumień dziur uzupełniających „straty” ładunku dodatniego, spowodowane rekombinacją. Ten strumień nośników tworzy prąd bazy I_B.

Stąd można zapisać podstawowe równanie prądów w tranzystorze:

I_E = I_B + I_C

słuszne również dla małych przyrostów

ΔI_E = ΔI_B + ΔI_C

Bilans prądów w tranzystorze wynika konsekwentnie z zasady obojętności elektrycznej bazy i obowiązuje zarówno dla tranzystorów n-p-n jak również p-n-p, zarówno dla stanu ustalonego jaki nieustalonego.

Tranzystor jest tym lepszy (tym większe ma wzmocnienie), im mniej nośników rekombinuje w bazie.

W dobrym tranzystorze: I_C ≤ I_E

I_B « I_C

I_B « I_E

Zatem współczynnik wzmocnienia prądowego

ΔI_C

α = ————

ΔI_E

jest nieco mniejszy niż jedność. Najczęściej α ≈ 0,980...0,995.

Współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora można również zdefiniować jako stosunek prądu kolektora do prądu bazy:

I_C ΔI_C

_ = ———  = ———

I_B ΔI_B

Ta definicja wzmocnienia prądowego ma zastosowanie w przypadku takiego układu włączenia tranzystora, w którym prądem wejściowym jest prąd bazy. Trzy możliwe warianty układu włączenia tranzystora omówimy za chwilę,

a obecnie zauważmy tylko, że istnieje bezpośredni związek między α i β gdyż uwzględniając ΔI_E = ΔI_B + ΔI_C

można uzyskać:

 α

α = ———  = ———

1+ 1-α

ΔI_C

——

ΔI_C ΔI_C ΔI_B 

α = ——— = ———— = ————— = ———

ΔI_B ΔI_C

ΔI_E ΔI_B  ΔI_C —— + —— 1 + 

ΔI_B ΔI_B ΔI_C

I_E = I_B + I_C   ———

ΔI_B

ΔI_C

——

ΔI_C ΔI_C ΔI_{ ∝}

 = ——— = ———— = ————— = ­­­­­­­­­

ΔI_ ΔI_{C 1 - ∝}

ΔI_B ΔI_  ΔI_C —— - ——

ΔI_ ΔI_

ΔI_B = ΔI_ - ΔI_C

Zakres pracy i układy włączenia tranzystora bipolarnego

Dotychczas rozważaliśmy zjawiska występujące wewnątrz tranzystora. Obecnie będziemy rozpatrywać charakterystyki i parametry końcówkowe czyli tzw. właściwości funkcjonalne tranzystora traktowanego jako element układu. Opis funkcjonalny (zestaw równań wiążących napięcia i prądy na końcówkowych elementu) można w zasadzie abstrahować od zjawisk wewnętrznych, zachowując pełną użytkowość dla potrzeb analizy układowej. Jednakże taki formalny model funkcjonalny „czarna skrzynka”, której właściwości są wprawdzie znane, lecz nie wiadomo, dlaczego są właśnie takie a nie inne, nie daje możliwości wykonywania głębszej analizy pracy układu, czy szybkiego przewidywania „zachowania się” tranzystora w nietypowych warunkach pracy - słowem ogranicza bardzo możliwości świadomego i celowego rozwiązywania zadań projektowych. Dlatego przy opisie funkcjonalnym będziemy dążyć do wykazania związków tych właściwości ze zjawiskami zachodzącymi wewnątrz tranzystora.

Z dotychczasowych rozważań wiadomo, że tranzystor spełnia funkcję elementu wzmacniającego przy polaryzacji złącza E-  w kierunku przewodzenia, a złącze B -C w kierunku zaporowym.

Znamy również zasady polaryzacji złącza p-n, można zatem określić ogólne relacje między potencjałami poszczególnych elektrod tranzystora:

Rys.5. Ogólne relacje między potencjałami poszczególnych elektrod tranzystora.

przy czym U_C, U_B, U_E - potencjały poszczególnych elektrod tranzystora: kolektora , bazy, emitera, względem jakiegoś potencjału wspólnego (najczęściej względem zerowego potencjału masy układu).

Należy przy tym zauważyć, że napięcie baza - emiter (napięcie na złączu p-n spolaryzowanym w kierunku przewodzenia) w typowych warunkach pracy tranzystora przyjmuje wartości 0,2 ÷ 0,4V dla Ge oraz 0,6 ÷ 0,8V dla tranzystora krzemowego. W wielu układach jednak (przede wszystkim w impulsywnych) tranzystor może pracować przy innych warunkach polaryzacji.

Istnieją cztery warianty polaryzacji, można więc mówić o czterech zakresach pracy tranzystora:

-złącze E-B w kierunku przewodzenia zakres

złącze B-C w kierunku przewodzenia aktywny normalny

-złącze E-B w kierunku przewodzenia zakres

złącze B-C w kierunku przewodzenia nasycenia

- złącze E-B w kierunku zaporowym zakres

złącze B-C w kierunku zaporowym zatkania

-złącze E-B w kierunku zaporowym zakres

złącze B-C w kierunku przewodzenia aktywny inwersyjny

(emiter spełnia funkcję kolektora

a kolektor - emitera)

Rys.6. Cztery warianty polaryzacji i związane z nimi cztery zakresy pracy

tranzystora.

Tranzystor jako element trójkońcówkowy, traktowany jako czwórnik, musi mieć jedną z trzech końcówek wspólną dla wejścia i wyjścia. Jeżeli przyjmie się, że obwody wejściowy i wyjściowy mogą stanowić dowolne kombinacje dwóch końcówek tranzystora to wszystkich możliwości kombinacji jest 3! = 6. Jednak dla uzyskania wzmocnienia mocy jest wymagane, by baza była jedną z końcówek wejściowych, a kolektor jedną z końcówek wyjściowych, co ogranicza liczbę racjonalnych konfiguracji tranzystora do trzech.

Są to następujące konfiguracje:

1. wejście E B - wyjście BC, czyli układ ze wspólną bazą skrótowo

oznaczany OB ( WB )

2. wejście BE - wyjście EC, czyli układ ze wspólnym emiterem skrótowo

oznaczany OE ( WE).

3. wejście BC - wyjście CE czyli układ ze wspólnym kolektorem, skrótowo

oznaczany OC (WC )

Rys.7. Podstawowe układy włączania tranzystora

Aczkolwiek każdy z tych trzech układów włączenia ma właściwości różne od dwóch pozostałych (między innymi różne wzmocnienia prądu, mocy i napięcia), należy jednak pamiętać, że tranzystor działa zawsze jednakowo. Przypomnijmy najbardziej elementarny opis działania tranzystora n-p-n w zakresie normalnym:

„Elektrony są wstrzykiwane z emitera od bazy (prąd emitera) pod wpływem napięcia U_BE doprowadzonego w kierunku przewodzenia. Następnie nośniki wstrzykiwane do bazy przesuwają się w kierunku kolektora (unoszenie pod wpływem wbudowanego pola elektrycznego w bazie tranzystora dryftowego lub dyfuzji w tranzystorze z jednorodną bazą), przy czym znikoma ich część rekombinuje z dziurami tworząc prąd bazy, a reszta (przytłaczająca większość) jest odbierana przez silne pole elektryczne w warstwie zaporowej złącza kolektor - baza tworząc prąd kolektora”.

Otóż ten schemat działania tranzystora obowiązuje niezależnie od układu włączenia. Różnice charakterystyk i parametrów w poszczególnych układach włączenia wynikają tylko z przyczyn subiektywnych, tj. są niejako skutkiem różnych „punktów widzenia”.

Prześledźmy to na podstawie jednego parametru - wzmocnienia prądowego. Korzystamy z równania prądów i dwóch wcześniej zdefiniowanych współczynników:

I_E = I_C + I_B

I_C

α_N = ——

I_E

I_C

_  ——

_

Korzystamy z tych równań dla stwierdzenia, że wzmocnienie mocy jest różne
w różnych układach choć tranzystor działa tak samo.

W układzie WB prądem wejściowym jest I_E, wyjściowym zaś I_C, a ponieważ wzmocnienie prądowe jest to stosunek prądu wyjściowego do wejściowego, zatem:

I_C

WP  —— = α_N WP - wzmocnienia prądowe

_

W układzie WE prądem wejściowym jest I_B, wyjściowym I_C, stąd:

I_C

WP  —— = _N

_

W układzie WC prądem wejściowym jest I_B, wyjściowym I_E, stąd:

I_E I_{C +} I_B

WP  —— = ———— = _N + 1 = ℘

_ _

Należałoby jeszcze dodać, że α_N, β_N, (β_N + 1) = ℘ są tzw. zwarciowymi współczynnikami wzmacniania prądowego, czyli są one mierzone w warunkach bliskich zawarcia na wyjściu tranzystora i rozwarcia na jego wejściu.

] Chodzi o to by cały prąd wyjściowy płynął przez obciążenie, przy pomijalnie małym wpływie bocznikującej konduktancji wyjściowej tranzystora oraz by cały prąd wejściowy płynął prze wejście tranzystora przy pomijalnie małym wpływie bocznikującej konduktancji wewnętrznej źródła sygnału wejściowego.

Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego

Stan statyczny (punkt pracy) tranzystora traktowanego jako czwórnik nieliniowy jest opisany czterema wielkościami tj. prądem i napięciem wejściowym I₁, U₁ oraz prądem i napięciem wyjściowym I₂, U₂. W ogólnym przypadku zmiana każdej z tych wielkości powoduje zmiany trzech pozostałych. Zawsze istnieje możliwość wyboru dwóch wielkości jako zmienne niezależne i obserwowania ich wpływu na dwie pozostałe wielkości. Zależności jednej wielkości od dwch innych przy niekontrolowanej wielkości czwartej nazywa się równaniem czwórnika. Łatwo obliczyć, że istnieje 12 różnych równań. Ponieważ do pełnego opisu czwórnika wystarczają 2 równania (praca równań czwórnika), można je pogrupować na 6 par. Znaczenie praktyczne mają 3 pary równań:

U₁ = f ( I₁, I₂ ) równania

U₂ = f ( I₁, I₂ ) impedancyjne

I₁ = f ( U₁, U₂ ) równania

I₂ = f ( U₁, U₂ ) admitancyjne

U₁ = f (I₁, U₂ ) równania

I₂ = f ( I₁, U₂ ) mieszane ( hybrydowe )

Najbardziej dogodny jest zestaw równań mieszanych, gdyż warunki ich pomiaru są zbliżone do normalnych warunków pracy tranzystora w układzie (warunki zbliżone do sterowania prądowego na wejściu i sterowania napięciowego na wyjściu). Dlatego rozpatrzymy charakterystyki statyczne określone na podstawie równań mieszanych. Przez charakterystykę statyczną rozumie się związek wielkości zależnej i jednej z dwóch niezależnych przy stałej wartości drugiej wielkości niezależnej traktowanej jako parametr. Na podstawie równań mieszanych określić można cztery rodziny charakterystyk statycznych:

U₁ = f ( I₁, U₂ )

I₂ = f ( I₁, U₂ )

U₁ = f ( I₁ )|_U2 = const. cha-ki wejściowe

U₁ = f ( U₂ )|_I1 = const. cha-ki zwrotne napięciowe

I₂ = f (I₁ )|_U2 = const. cha-ki przejściowe prądowe

I₂ = f ( U₂ )|_I1 = const. cha-ki wyjściowe

Dowolna kombinacja jednej z dwóch pierwszych charakterystyk (wejściowej lub zwrotnej) i jednej z dwóch ostatnich (przejściowej lub wyjściowej) jest wystarczająca do wyznaczenia dwóch pozostałych charakterystyk. Dlatego
w katalogach są najczęściej podawane tylko charakterystyki wyjściowe i wejściowe.

Dla każdego z trzech układów włączenia tranzystora wielkości I₁, I₂, U_1, U₂ oznaczają zupełnie różne prądy i napięcia (na przykład I₁ jest prądem emitera
w układzie WB, a prądem bazy w układzie WE). Należałoby zatem rozpatrzyć charakterystyki statyczne oddzielnie dla każdej konfiguracji. Zrobimy to dla konfiguracji WB i WE.

Konfigurację WC można pominąć, jeśli weźmie się pod uwagę znikome różnice (szczególnie w obrazie graficznym) między prądami emitera i kolektora. Interesuje nas głównie praca tranzystora w zakresie normalnym.

Charakterystyki statyczne w układzie OB ( WB )

Zgodnie z układem włączenia tranzystora:

Rys. 8. Konfiguracja OB

I₁ = I_E

I₂ = Ic

U₁ = U_EB

U₂ = U_CB

Interesują nas zatem następujące rodziny charakterystyk:

U_EB = f ( I_E, U_CB ) U_EB = f ( I_E )|U_CB - cha-ki wejściowe

{ U₁ = f ( I₁; U₂ ) } U_EB = f ( U_CB )|I_E - cha-ki zwrotne

I_C = f ( I_E, U_CB ) Ic = f ( I_E )|U_CB - cha-ki przejściowe

{ I₂ = f ( I₁ ; U₂ ) } I_C = f ( V_CB )|I_E - cha-ki wyjściowe

Wiadomo, że złącze E-B jest polaryzowane w kierunku przewodzenia

(U_EB dodatnie), a złącze B-C w kierunku zaporowym (U_CB ujemne). Wszystkie cztery rodziny charakterystyk przedstawimy na rysunku 9 :

Rys.9. Rodziny charakterystyk w układzie WB

Charakterystyki statyczne w układzie WE

Zgodnie z układem włączenia tranzystora:

Rys. 10. Konfiguracja OE .

I₁ = I_B

I₂ = I_C

U₁ = U_BE

U₂ = U_CB

Interesują nas zatem rodziny charakterystyk:

U_BE = f ( I_B, U_CE ) U_BE = f ( I_B )|Uce - cha - ki wejściowe

{ U₁ = f ( I₁ U₂ ) } U_BE = f ( U_CE )|I_B - cha - ki zwrotne

Ic = f ( I_B, U_CE ) I_C = f ( I_B )| U_CE - cha - ki przejściowe

{ I₂ = f ( I₁, U₂ ) } I_C = f ( U_CE )I_B - cha - ki wyjściowe

Uwaga:

Napięcie U_CE polaryzuje oba złącza E-B i B-C dlatego nie można w tym przypadku zachować dotychczas stosownego sposobu znakowania napięć. (dotychczas przyjmowaliśmy, że napięcie polaryzuje złącza w kierunku przewodzenia jest dodatnie, a w kierunku zaporowym - ujemne). Przyjmijmy w tym przypadku rzeczywiste znaki potencjałów bazy U_BE i kolektora U_CE względem potencjału emitera. Dla tranzystora n-p-n pracującego w zakresie normalnym oba napięcia są dodatnie w tej konwencji. Wszystkie cztery rodziny charakterystyk przedstawimy na rysunku 11.

Rys.11. Rodziny charakterystyk w układzie WE

POMIARY

Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystorów bipolarnych metodą "punkt po punkcie"

Schemat układu pomiarowego

  Rys. 1 Schematy układów pomiarowych do wyznaczania charakterystyk statycznych tranzystorów bipolarnych metodą "punkt po punkcie":
a) w układzie OE, b) w układzie OB

Charakterystyki statyczne tranzystorów bipolarnych, podobnie jak charakterystyki diod półprzewodnikowych lub innych elementów półprzewodnikowych, można wyznaczyć metodą "punkt po punkcie" lub metodą oscyloskopową.

Metoda "punkt po punkcie" sprowadza się do nastawienia oraz odczytania wartości poszczególnych napięć i prądów (rys.1). tranzystory są zasilane z zasilaczy stabilizowanych napięcia stałego, umożliwiających nastawienie określonych wartości napięć i zaprogramowanie obliczonych wartości prądów.

Do pomiarów prądów mogą służyć mierniki magnetoelektryczne (mikroamperomierz i miliamperomierz), a do pomiaru napięć woltomierze napięcia stałego( mogą to być również mierniki magnetoelektryczne). Zaleca się jednak korzystanie z woltomierzy elektronicznych analogowych lub cyfrowych o dużej rezystancji wejściowej, ponieważ mierniki prądu mierzą (w obydwu układach) sumę prądu płynącego przez tranzystor i prądu pobieranego przez woltomierze. Przy poprawnym zestawieniu układu pomiarowego prąd pobierany przez każdy z woltomierzy powinien być znacznie mniejszy od prądów płynących przez tranzystor (I_B,I_C,I_E), czyli rezystancja wewnętrzna woltomierzy winna być znacznie większa od rezystancji wyjściowej (wejściowej) tranzystora.

Rezystory R_B(R_E) i R_C ograniczają wartość prądu płynącego przez tranzystor. Wybór wartości ich rezystancji zależy od wymaganej charakterystyki i odpowiedniego pomiaru.

Podczas zasilania prądowego dla każdego punktu charakterystyki należy spełnić następujące nierówności:

natomiast podczas zasilania napięciowego - ich odwrotności.

Przedstawione układy pomiarowe dotyczą tranzystorów n-p-n. Eksperymenty można przeprowadzić również z zastosowaniem tranzystorów p-n-p., zmieniając odpowiednio kierunki napięć polaryzujących i kierunki włączania mierników.

W układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 1a można wyznaczyć następujące charakterystyki (układ OE);

I_B = f(U_BE)U_CE = parametr - wejściowe;

I_C = f(U_CE)I_B = parametr - wyjściowe;

I_C = f(I_B)U_CE = parametr - przejściowe (prądowe);

U_BE = f(U_CE)I_B = parametr - przejściowe (sprzężenia zwrotnego).

Zaś w układzie pomiarowym na rys. 1b otrzymuje się charakterystyki (układ OB);

1. I_E = f(U_EB)U_CB = parametr;

2. I_C = f(U_CB)I_E = parametr;

3. I_C = f(I_E)U_CB = parametr;

4. U_EB = f(U_CB)I_E = parametr.

Sposób wyznaczania poszczególnych charakterystyk wynika bezpośrednio z ich definicji. Podczas pomiarów nie należy przekraczać dopuszczalnych wartości prądów, napięć oraz mocy podanych w danych katalogowych badanego tranzystora. Należy uważać, aby badany tranzystor podczas pracy nie nagrzewał się nadmiernie, co może być przyczyną dużych błędów pomiarowych (szczególnie dotyczy to zdejmowania charakterystyk wyjściowych).

Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystorów bipolarnych metodą oscyloskopową

Schemat układu pomiarowego

  Rys.2. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego w układzie OE metodą oscyloskopową
 

Metoda oscyloskopowa pozwala na szybkie, bezpośrednie wyznaczenie odpowiedniej charakterystyki (rodziny charakterystyk), jej obserwację lub rejestrację. Dodatkową zaletą tej metody jest możliwość wyznaczania charakterystyk poza normalnym zakresem pracy - ze względu na impulsowe zasilanie tranzystora. W praktyce metodę tę realizuje się poprzez wykorzystanie powszechnie stosowanego oscyloskopu i dodatkowych układów pomiarowych bądź poprzez zastosowanie specjalnych, fabrycznie produkowanych charakterografów, stanowiących "wkładki" do niektórych oscyloskopów, które mają wszelkie niezbędne układy pomiarowe i zasilające, a więc są pewnego rodzaju miernikami parametrów tranzystorów.

Zasada metody oscyloskopowej zostanie wyjaśniona na podstawie sposobu wyznaczania charakterystyk wyjściowych tranzystora w układzie OE (rys. 2).

Obwód kolektora badanego tranzystora jest zasilany obniżonym napięciem sieciowym wyprostowanym jednopołówkowo (dioda D1). Do bazy tranzystora doprowadzany jest prąd I_B z zasilacza prądowego Z. Funkcję zasilacza prądowego może pełnić zasilacz napięciowy z włączonym w szereg rezystorem o dużej wartości rezystancji (co najmniej kilkadziesiąt kiloomów). Prąd bazy mierzony jest mikroamperomierzem μA. Do wejścia X oscyloskopu doprowadza się napięcie zasilające kolektor tranzystora U_CE, a do wejścia Y - spadek napięcia na rezystorze pomiarowym R_E, proporcjonalny do prądu kolektora (I_C ~ -I_E). Zatem na ekranie oscyloskopu otrzymuje się charakterystykę wyjściową I_C = f(U_CE) przy określonej wartości prądu bazy. Zmieniając wartości prądu I_B, uzyskuje się kolejną charakterystykę wyjściową itd. Charakterystyki te będą jednak odwrócone. Dlatego, jeżeli korzysta się z oscyloskopu z odwracaniem polaryzacji sygnału, przełącznik polaryzacji należy ustawić w położeniu -Y.

Wartość napięcia kolektor - emiter w dowolnym punkcie charakterystyki wyznacza się z zależności:

natomiast prąd kolektora:

gdzie:

S_X, S_Y - współczynniki odchylenia kanałów X i Y oscyloskopu [V/cm],

X, Y - odchylenie plamki odpowiednio w kierunku poziomym i pionowym cm,

R_E - rezystor pomiarowy [ohm]

W podobny sposób można wyznaczyć również inne charakterystyki tranzystora.

Trzeba pamiętać o tym, kiedy należy stosować sterowanie napięciowe, a kiedy prądowe. Doprowadzone napięcie zmienne nie musi mieć kształtu półokresu sinusoidy; może być na przykład piłokształtne. Podczas rejestracji charakterystyk za pomocą rejestratora X-Y napięcie to powinno mieć wolno zmieniający się przebieg liniowy (z generatora impulsów bardzo małej częstotliwości lub zasilacza regulowanego).

W układzie przedstawionym na rys. 2, zastępujące źródło polaryzacji bazy (zasilacz) generatorem przebiegów schodkowych, na ekranie oscyloskopu otrzymuje się całą rodzinę charakterystyk. Liczba charakterystyk odpowiada liczbie schodków w jednym okresie pracy generatora schodkowego. Czas trwania jednego schodka musi być równy okresowi zasilającego drgań generatora zasilającego obwód kolektora. Jeżeli źródłem napięcia kolektora jest jednopołówkowo wyprostowane napięcie sieciowe, wtedy czas trwania schodka wynosi 1/50 s, natomiast przy napięciu wyprostowanym dwupołówkowo1/100 s.

Pomiar prądów zerowych tranzystorów bipolarnych

  Rys. 3. Schematy układów pomiarowych do wyznaczania prądów zerowych tranzystorów bipolarnych: a) I_CBO, b) I_EBO, c) I_CEO

Prądy zerowe tranzystora bipolarnego można określić z charakterystyk statycznych. Jednak znacznie prostszą i dokładniejszą metodą jest pomiar bezpośredni, który wykorzystuje ich definicję. Wydaje się, że ze względu na prostotę układy do pomiaru tych prądów nie wymagają omówienia. Należy tylko zaznaczyć, ze zmieniając wartości napięć zasilających można wyznaczyć zależności prądów zerowych od odpowiednich napięć.

Po zwarciu w układzie z rys. 3a obwodu emiter - baza (U_EB = 0) mikroamperomierz wskaże prąd szczątkowy kolektora I_COK. Jeżeli w układzie pomiarowym, który ilustruje rys. 3.c, między zaciski bazy i emitera włączymy rezystor R_B, mikroamperomierz wskaże prąd zerowy I_CER. Jego wartość zależy od rezystancji rezystora R_B.

Na podstawie pomiarów I_CBO i I_CEO z dużym przybliżeniem może być określony zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego h_21E(β). Mierząc oba te prądy przy tym samym napięciu kolektora, otrzymamy h_21E= I_CEO/ I_CBO.

W badaniach eksploatacyjnych pomiar prądów zerowych przy napięciach zbliżonych do napięć występujących w czasie normalnej pracy tranzystora ma swoje uzasadnienie, przy czym k duże, aby złącza emiter - baza były - spolaryzowane w kierunku wstecznym.

Pomiar parametrów h tranzystorów bipolarnych metodą przyrostów

Rys. 4. Schematy układów do pomiaru parametrów h tranzystorów bipolarnych metodą przyrostów: a) h_21E, b) h_21e, c) h_11e, c) h_22e .
 

Zwarciowe współczynniki wzmocnienia prądowego h_21B (α) i h_21E (β) wyznacza się poprzez proste pomiary prądów stałych przy odpowiednio dobranym napięciu kolektora. Nie jest więc trudne określenie wartości h_21B i h_21E na podstawie pomiarów wykonywanych podczas wyznaczania charakterystyk statycznych tranzystora.

W układzie przedstawionym na rys. 4a najpierw mierzy się prąd zerowy I_CEO przy rozwartym obwodzie bazy , a następnie zasila się bazę określonym prądem (z zasilacza przez rezystancję szeregową R_B o dużej wartości). Na podstawie zmierzonej wartości prądu kolektora I_C oblicza się statyczny współczynnik wzmocnienia prądowego . Na podobnej zasadzie działa wiele prostych, przeważnie bateryjnych próbników tranzystorów, które występują pod różnymi nazwami firmowymi (np. betmetr). Niektóre z nich mają odczyt cyfrowy.

Opracowano wiele różnorodnych metod pomiarowych do wyznaczania parametrów różniczkowych tranzystorów bipolarnych. Parametry te są mierzone, np. : metodami odchyłowymi, kompensacyjnymi czy mostkowymi, przy stałym lub zmiennym prądzie o różnych częstotliwościach. W ćwiczeniu zaprezentowana będzie przyrostowa metoda pomiaru parametrów h.

Zgodnie z definicją parametrów czwórnikowych h (iloraz dwóch zmiennych amplitud sygnałów w określonych warunkach ) można je wyznaczyć z charakterystyk statycznych tranzystora.

Graficzna metoda obliczania parametrów h z rodziny charakterystyk statycznych sprowadza się do wyznaczania przyrostów odpowiednich prądów i napięć (dla założonych punktów pracy) z uwzględnieniem współczynników skali układu współrzędnych wykresu w odpowiednich jednostkach, przy każdorazowym spełnieniu warunku stałości określonego parametru (prądu I_B lub napięcia U_CE ). Ze względu na małe nachylenie charakterystyk dokładność graficznego sposobu określania parametrów różniczkowych jest niewielka.

Jednak w praktyce (głównie podczas pomiarów o niezbyt dużej dokładności, które powinny być przeprowadzone szybko i w sposób nieskomplikowany) metoda przyrostowa jest często stosowana.

Metodą tą można zmierzyć różniczkowy (dynamiczny) współczynniki wzmocnienia prądowego h_21e ( np. układ zaprezentowany na rys. 4b). Pomiar sprowadza się do wyznaczenia przyrostu prądu kolektora ∆I_C, spowodowanego niewielkim przyrostem prądu bazy ∆I_B i obliczeniu parametru h_21e. W podobny sposób mierzy się współczynnik h_11e i h_22e (rys. 4c, d), pamiętając jednocześnie o warunkach stałości napięcia U_CE lub prądu I_B.

3

TRANZYSTOR BIPOLARNY

---