Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych GRUPA: piątek g.14.45
Ćw.:nr 9	Imię i nazwisko:
Charakterystyki stałoprądowe tranzystora bipolarnego.	Data wykonania ćwiczenia:	20.10.2006
		Ocena zaliczenia: Uwagi i podpis:

1. Wstęp

Stan, w jakim tranzystor bipolarny znajduje się w warunkach statycznych można opisać za pomocą trzech napięć i trzech prądów np.: U_EB, U_CB, U_CE, I_E, I_B, I_C. Ze względu

na budowę elementu jakim jest tranzystor bipolarny spełnione są następujące równania:

U_EB + U_CB + U_CE = 0 oraz I_E + I_B + I_C = 0

Wynika z nich, że tylko dwa napięcia i dwa prądy tranzystora można przyjąć jako niezależne,

a pozostałe jako liniowo zależne.

Przykładowo, na rysunkach 1 a), b), c), d) przedstawione są typowe charakterystyki statyczne tranzystora n-p-n w konfiguracji WB.

Rys.1 a) Rys.1 b)

Rys.1 Charakterystyka statyczna tranzystora n-p-n w konfiguracji WB

a) charakterystyka przejściowa I_C(U_EB) przy. U_CB = const.

b) charakterystyki wyjściowe I_C(U_CB) przy U_EB = const.

Rys.1 c) Rys.1 d)

c) charakterystyka przejściowa I_C(I_E) przy U_CB = const.

d) charakterystyki wyjściowe I_C(U_CB) przy I_E=const.

Rys.2 a) b)

Rys.2 Charakterystyka statyczna tranzystora n-p-n w konfiguracji WE

a) charakterystyka przejściowa I_C(U_BE) przy U_CE = const.

b) charakterystyki wyjściowe I_C(U_CE) przy U_BE = const.

Rys.2 c) d)

c) charakterystyka przejściowa I_C( I_B ) przy U_CE = const.

d) charakterystyka wyjściowa I_C( U_CE ) przy I_B = const.

Charakterystyki przejściowe prądowo-prądowe są liniami prostymi o nachyleniu 

w konfiguracji WB i  w konfiguracji WE, zgodnie z wzorami:

i_C = I _CE0 +  * i_E oraz i_C = I _CE0 +  * i_B

Charakterystyki przejściowe prądowo-napięciowe ( również nie ujęte na rysunkach )

wykazują nieliniowość identyczną do charakterystyki złącza p-n. Prąd kolektora w zakresie aktywnym normalnym jest praktycznie niezależny od napięcia U_CE i U_CB. W zakresie nasycenia prąd kolektora prawie liniowo wzrasta z napięciem U_CE. Dlatego niekiedy

przyjmuje się, że obwód kolektor-emiter w stanie nasycenia może być zastąpiony przez pewną rezystancje r_CESat:

r_CESat  ( U_CE / I_C ) w zakresie nasycenia

Ze względu na podobieństwo złącza kolektorowego i emiterowego jest oczywiste, że charakterystyki tranzystora w konfiguracjach inwersyjnych są jakościowo podobne. Obserwowane różnice stanowią przede wszystkim mniejsze wartości współczynników  i ;

_I < _N, _I << _N, gdzie indeks „I” odnosi się do wartości połączenia inwersyjnego, a indeks

„N” do konfiguracji normalnych. Konsekwencją tego jest znaczne bliższe względem poziomu zerowego położenie charakterystyk wyjściowych parametryzowanych prądowo.

Przebieg charakterystyk jest w pewnym stopniu zależny od temperatury tranzystora. Przy wzroście temperatury maleje napięcie przewodzenia złączy tranzystora przy tym :

k_TUF  -2mV / K - gdzie k_TUF = ∂U_F / ∂T

- gdzie U_F jest to napięcie w kierunku przewodzenia złącza.

Przy wzroście temperatury wzrastają również prądy zerowe tranzystora I_CB0 i I_CE0. Prądy zerowe tranzystorów krzemowych i z GaAs są jednak z reguły znacznie mniejsze od

użytecznych składowych prądów kolektora. Prądy zerowe mogą stać się porównywalne ze składowymi użytecznymi prądu kolektora dopiero w wysokich temperaturach -powyżej100C.

2. Pomiary.

a) pomiary charakterystyk wyjściowych przy połączeniu normalnym

IB=10A		IB=15A		IB=20A		IB=25A
UCE[V]	IC[mA]	UCE[V]	IC[mA]	UCE[V]	IC[mA]	UCE[V]	IC[mA]
0,1	0,28	0,1	0,49	0,1	0,74	0,1	0,96
0,2	1,72	0,2	2,61	0,2	3,74	0,2	4,63
0,3	2,23	0,3	3,55	0,3	5,44	0,3	6,89
0,4	2,26	0,4	3,61	0,4	5,61	0,4	7,27
0,5	2,27	0,5	3,62	0,5	5,64	0,5	7,31
1	2,29	1	3,66	1	5,7	1	7,39
3	2,35	3	3,78	3	5,89	3	7,68
5	2,4	5	3,92	5	6,06	5	7,95
7	2,46	7	4,03	7	6,28	7	8,22
9,6	2,52	9,5	4,2	9,4	6,58	9,4	8,58

Charakterystyki I_C = f(U_CE) były zdejmowane dla czterech różnych wartości prądu I_B. Zmierzona i wykreślona rodzina charakterystyk wygląda dokładnie tak jak jej teoretyczny odpowiednik. Charakterystyki mają swój bardzo typowy kształt: najpierw prąd rośnie bardzo szybko (zakres nasycenia), by następnie ulegać bardzo niewielkim przyrostom (obszar pracy aktywnej). Widzimy wyraźnie, że im większy jest prąd bazy, tym większe wartości osiąga prąd kolektora przy takim samym napięciu kolektor - emiter.

Napięcie Early'ego oszacowuje przedłużając charakterystyki wyjściowe do momentu przecięcia z osią U_CE. Prostą przedłużającą wyznaczam na podstawie dwóch punktów

maksymalnie odległych w celu zminimalizowania wystąpienia błędu uśredniającego.

Z rysunku widać, że dobre do wyznaczenia prostej będą punkty U_CE=0,5V i U_CE=7 V.

Niech punkt U_CE=0,5V oznaczyć przez X1 i punkt U_CE=7V oznaczyć przez X2

oraz punkt I_C(U_CE=0,5V) ozn Y1 i punkt I_C(U_CE=7V) ozn Y2_;

Punkt wskazujący napięcie Early'ego będzie wtedy można określić wzorem:

U_E = ( Y1 / (Y2-Y1) ) * (X2 - X1 ) - X1

Dla I_B = 10 A wychodzi U_E = 77,2 V.

Dla I_B = 15 A wychodzi U_E = 56,7 V.

Dla I_B = 20 A wychodzi U_E = 56,8 V.

Dla I_B = 25 A wychodzi U_E = 51,7 V.

Wartość średnia U_E = 60,6 V.

b)Pomiary charakterystyk wyjściowych przy połączeniu inwersyjnym

IB=15A			IB=25A
UCE[V]	IC[A]			UCE[V]	IC[A]
0,1	15,8			0,1	32,3
0,2	16,2			0,2	33,3
0,3	16,4			0,3	33,8
0,4	16,4			0,4	34,3
0,5	16,5			0,5	34,7
1	17,3			1	36,3
2	18,9			2	39,6
3	20,4			3	42,7
4	22,2			4	46,5

Pomiar charakterystyk wyjściowych w połączeniu inwersyjnym polegał na zamianie miejscami na płytce wyprowadzeń emitera i kolektora i powtórzeniu pomiarów dla dwóch prądów bazy: 15µA i 25µA. Otrzymane charakterystyki powinny mieć podobny kształt jak ich odpowiedniki dla połączenia normalnego. Niestety, jak widać źle zostały dobrane punkty pomiarowe. Rozpoczynając pomiary od U_CE = 0,1V zgubiliśmy cały zakres nasycenia tranzystora. Jak widać napięcie nasycenia tranzystora jest przy polaryzacji inwersyjnej dużo mniejsze. Poza tym możemy zaobserwować, tak jak przy pracy aktywnej, zależność prądu kolektora od prądu bazy - tranzystor wzmacnia sygnały. Najważniejszą różnicą jest to, że dla połączenia normalnego prąd kolektora osiągał wielkość kilku miliamperów, natomiast dla połączenia inwersyjnego mamy do czynienia z prądem rzędu kilku mikroamperów, czyli dwa - trzy rzędy mniejszym. Tłumaczyć to należy różnicą wzmocnienia prądowego β_I i β_N dla połączenia normalnego i inwersyjnego.

---