POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI

1. CELE ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest:

-zapoznanie się z mechanizmem przepływu prądu w półprzewodnikach,

-poznanie właściwości złącza p-n i zasad działania tranzystora,

-pomiar charakterystyk tranzystora i wyznaczenie kilku jego podstawowych parametrów.

UWAGA: W sprawozdaniu używa się następujących oznaczeń:

B-baza, E-emiter C-kolektor,

U_XX - napięcia na złączu (np. U_BE)

I_X- prąd (np.I_C)

2. Wstęp teoretyczny

Ciała stałe ze względu na ich właściwości elektryczne można podzielić na trzy grupy: przewodniki, półprzewodniki i dielektryki (izolatory). Do półprzewodników należą ciała, których konduktywność jest mniejsza od konduktywności dobrych przewodników, ale znacznie większa od konduktywności dielektryków. Konduktywność półprzewodników mieści się w bardzo szerokich granicach od 10^-8 do 10⁵ Ω^-1 m^-1.

Tranzystor jest przyrządem półprzewodnikowym, umożliwiającym wzmacnianie mocy sygnałów elektrycznych. Tranzystor stanowi kryształ półprzewodnika (np. krzem, german) , w którym można wyróżnić dwa obszary o tym samym typie przewodnictwa, zwane emiterem i kolektorem, oraz oddzielającą te obszary warstwę o odmiennym typie przewodnictwa, zwaną bazą. Na granicy tych obszarów istnieją dwa złącza p-n. Poszczególne obszary wytwarza się przez wprowadzenie (dyfuzyjne, stopowe) do półprzewodnika domieszek przeciwnego typu niż te, które już się w nim znajdują.

Istotną rolę w działaniu tranzystora odgrywają złącza p-n, powstające na granicy półprzewodników dwóch różnych typów. Złącza p-n mają własności prostownicze dzięki barierze energetycznej powstającej w warstwie zaporowej między obszarami p i n półprzewodnika. Jeżeli zewnętrznym napięciem U_CB spolaryzujemy złącze baza-kolektor tranzystora p-n-p w ten sposób, że do kolektora przyłożymy potencjał niższy niż do bazy, to przyłożone zewnętrzne napięcie jest zgodne z biegunowością bariery potencjału i ją powiększa. Odpowiada to zaporowej polaryzacji złącza; w obwodzie kolektor-baza płynie mały prąd nośników mniejszościowych: dziur z bazy do kolektora i elektronów z kolektora do bazy. Prąd ten już dla niedużych napięć zaporowych osiąga stan nasycenia. Jeżeli natomiast złącze emiter-baza spolaryzujemy napięciem U_EB w kierunku przepustowym (emiter na potencjale wyższym od potencjału bazy), to przez złącze popłynie prąd I_E nośników większościowych z poszczególnych obszarów: elektronów z bazy do emitera i dziur z emitera do bazy. Zakładając liniowość charakterystyki można przyjąć, że przy stałym napięciu kolektor-baza (U_CB=const)

prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu emitera:

I_C=α⋅I_E

Współczynnik α określa jaka część prądu emitera dopływa do kolektora. W dobrych tranzystorach jest on bliski jedności (od 0,95 do 0,99). Zgodnie z prawem rozpływu prądów mamy I_E=I_C+I_B. Ponieważ prąd I_C≅I_E, więc I_B jest stosunkowo mały.

Tranzystor może pracować w trzech układach, w zależności od tego, która z trzech elektrod tranzystora jest na wspólnym potencjale wejścia i wyjścia układu: ze wspólną bazą OB, ze wspólnym emiterem OE, ze wspólnym kolektorem OC.

E C B C B E

l₂

l₁

U₁ U₂

B E C

OB OE OC

Charakterystyki tranzystora w szerokim zakresie przebiegają liniowo, wobec tego składowe zmienne napięcia i prądu występujące na zaciskach wejściowych i wyjściowych są ze sobą powiązane pewnymi zależnościami liniowymi. Ogólnie, można ułożyć sześć par takich równań w zależności od tego jakie napięcia i prądy przyjmuje się za zmienne niezależne. Duże znaczenie praktyczne ma para równań, tzw. mieszanych:

U₁=h₁₁⋅I₁+h₁₂⋅U₂

I₂=h₂₁⋅I₁+h₂₂⋅U₂, w których U₁, U₂, I₁, I₂ oznaczają składowe zmienne napięć i prądów.

Dla układu OE:

U₁=U_BE, U₂=U_CE, I₁=I_B, I₂=I_C, hij=hije przy czym i, j=1, 2.

3. UKŁAD POMIAROWY I WYNIKI POMIARÓW

Układ pomiaru charakterystyk tranzystora w układzie OE składa się z dwóch zasilaczy

jako źródeł regulowanych napięć U_CE i U_BE , dwóch woltomierzy elektronicznych do pomiaru tych napięć, mikroamperomierza do pomiaru prądu bazy I_B oraz miliamperomierza do pomiaru prądu kolektora I_C.

C

B mA

uA

dla p-n-p - dla p-n-p -

dla n-p-n + VL VL dla n-p-n +

E

U_BE U_CE

Wykonaliśmy pomiary następujących charakterystyk:

I_C = f(U_CE) - dwie wartości I_B=30µA i I_B=100µA,

I_C =f(I_B) - dwie wartości U_CE=2V i U_CE=5V,

I_B =f(U_BE) - dwie wartości U_CE=2V i U_CE=5V

Tabela pomiarów dla wartości I_B=30µA:

UCE[mV]	IC[mA]	P[mW]
0,023	0,130	0,003
0,030	0,196	0,006
0,049	0,482	0,024
0,198	5,46	1,081
0,403	7,68	3,095
0,695	7,98	5,546
1,582	8,19	12,957
2,99	8,54	25,535
4,00	8,60	34,400
4,51	8,86	39,959

Tabela pomiarów dla wartości I_B=100µA:

UCE[mV]	IC[mA]	P[mW]
0,11	4,07	0,448
0,20	9,91	1,982
0,30	16,32	4,896
0,50	20,5	10,250
0,99	25,6	25,344
1,54	27,1	41,734
1,99	28,3	56,317
2,20	28,8	63,360
2,49	29,3	72,957
3,01	30,4	91,504

Tabela pomiarów dla wartości U_CE=2V:

IB[µA]	IC[mA]
1,28	0,35
4,16	1,16
6,44	1,60
7,47	2,09
10,32	2,89
11,06	3,11
12,16	3,41
13,08	3,66
14,03	3,91
16,37	4,56

Tabela pomiarów dla wartości U_CE=5V:

IB[µA]	IC[mA]
1,00	0,27
2,11	0,32
3,22	0,81
4,26	0,92
5,28	1,01
6,26	1,13
8,41	1,80
10,98	2,41
13,18	4,35
15,16	5,08

Tabela pomiarów dla wartości U_CE=2V:

UBE[mV]	IB[µA]
66,5	1,28
70,7	4,16
72,1	6,44
72,4	7,47
73,4	10,32
73,3	11,06
73,6	12,16
73,8	13,08
73,9	14,03
74,4	16,37

Tabela pomiarów dla wartości U_CE=5V:

UBE[mV]	IB[µA]
86,5	1,00
90,7	2,11
92,1	3,22
92,3	4,26
93,5	5,28
93,7	6,26
94,2	9,41
94,5	11,98
94,8	14,18
95,1	17,16

Wykresy charakterystyki tranzystora przedstawiono na dołączonej kartce.

Pomiary wykonano miernikami cyfrowymi o błędzie systematycznym mniejszym od najmniejszej działki. Błąd bezwzględny:

- dla pomiaru U_BE wynosi 1 mV,

- dla pomiaru prądu I_B wynosi 0,1 µA,

- dla pomiaru prądu I_C wynosi 0-2 mA - µA; 2-20 mA - 10 µA; 20 - 200 mA - 100 µA,

- dla pomiaru napięcia U_CE wynosi 0-2 V - 1 mV; 2-5 V 10 mV,

Dla punktów pracy, leżących na odcinkach charakterystyk zbliżonych do liniowych, obliczyliśmy następujące parametry tranzystora:

h_11e-rezystancja wejściowa przy U_CE = const,

r_we =470,19Ω

h21e-wzmocnienie tranzystora przy U_CE = const,

α - sprawność tranzystora,

h_22e-konduktancja wyjściowa I_B = const,

r_wy =7,38•10²

Wyznaczanie błędów dla obliczonych parametrów tranzystora:

Obliczenie błędów metoda różniczki logarytmicznej:

Błąd względny obliczenia R_we wynosi:

Błąd bezwzględny wynosi:

Błąd względny wyznaczenia wartości β wynosi:

Błąd bezwzględny:

Błąd względny wyznaczenia wartości R_wy wynosi:

Błąd bezwzględny wynosi:

Błąd względny wyznaczenia α wynosi:

Błąd bezwzględny:

Tabela otrzymanych wyników:

Parametr	Błąd względny	Błąd bezwzględny
Rwe=470,19 Ω	δRwe=0,406 %	bbRwe=0,845 Ω
β=294,38	δβ=0,182 %	bbβ=0,493
α=0,996	δα=0,182 %	bbα=0,002
Rwy=7,38•10^2 Ω	δRwy=0,538 %	bbRwy=18,01 Ω

Wyznaczone wartości są obarczone pewnym błędem ponieważ przy obliczaniu błędów z różnicy powinno się brać błąd bezwzględny odniesiony do dwóch rożnych wartości, a nie do jednej wartości oraz przemnożeniu przez 2, lecz ponieważ obie wartości bliskie są sobie wiec dla uproszczenia obliczeń przyjąłem to założenie upraszczające.

4. ANALIZA BŁĘDÓW I WNIOSKI

Podczas przeprowadzania pomiarów wynikły pewne błędy powstałe w wyniku braku możliwości utrzymania odpowiedniego napięcia prądu.Wyniki przedstawione w tabeli są obarczone błędami na które pewien wpływ miała jakość połączeń układu, a także przyrządy pomiarowe. Oczywiście dla przyrządów cyfrowych wielkości tych błędów możemy pominąć. Jednakże suma tych błędów w istotny sposób wpłynęła na wyniki i na dokładność charakterystyki badanego tranzystora. W czasach współczesnych tranzystor znalazł szerokie zastosowanie w technice dzięki właściwościom wzmacniania prądu. Zastąpił on wcześniej stosowaną lampę.