1. Zasada działania tranzystora bipolarnego.

Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony 'użytkowej' polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy.

Tranzystor jest półprzewodnikowym elementem wzmacniającym. Wykonany jest z krzemu lub germanu. Zawiera dwa obszary półprzewodnika jednego typu, przedzielone wąską warstwą półprzewodnika przeciwnego typu:

W tranzystorze występują dwa złącza p-n: złącze emiter-baza i złącze baza-kolektor. Do elektrod tranzystora doprowadza się odpowiednie napięcia tak, aby złącze emiter-baza polaryzowane było w kierunku przewodzenia a złącze baza-kolektor w kierunku zaporowym. W tranzystorze n-p-n do emitera doprowadza się napięcie ujemne, do kolektora zaś dodatnie względem bazy. W tranzystorze p-n-p biegunowość napięć jest przeciwna. W wyniku polaryzacji złącza emiter-baza w kierunku przewodzenia przez złącze to przepływa prąd emitera I_E.

Wartość prądu I_E zależy od napięcia U_EB doprowadzonego do złącza emiter-baza. Napięcie U_EB jest niewielkie, rzędu 0,5-0,8V dla tranzystorów krzemowych lub rzędu

0-0,3V dla tranzystorów germanowych. W przypadku tranzystorów n-p-n napięcie U_EB jest ujemne, a w przypadku tranzystorów p-n-p jest dodatnie. Płynący przez złącze emiter-baza prąd emitera I_E powoduje wprowadzenie do bazy nośników większościowych z obszaru emitera. Ponieważ baza wykonana jest z innego materiału półprzewodnikowego niż emiter, nośniki większościowe emitera, które przeszły do obszaru bazy, mają w tym obszarze charakter nośników mniejszościowych. A zatem prąd emitera powoduje wprowadzenie do bazy dodatkowych nośników mniejszościowych. Zmienia to rozkład koncentracji nośników mniejszościowych w obszarze bazy. W pobliżu złącza emiter-baza występuje w bazie znacznie więcej nośników mniejszościowych niż w pobliżu złącza baza-kolektor. W bazie powstaje gradient koncentracji nośników mniejszościowych, powodujący dyfuzję tych nośników przez obszar bazy w kierunku od emitera do kolektora. W rezultacie nośniki wprowadzone z emitera do bazy dyfundują w kierunku kolektora. Część z nich rekombinuje po drodze z nośnikami większościowymi obszaru bazy. Szerokość bazy jest jednak znacznie mniejsza od średniej drogi dyfuzji, co powoduje, że rekombinacji ulega tylko nieznaczna ilość nośników, a większość dociera aż do obszaru złącza baza-kolektor. Złącze baza-kolektor polaryzowane jest w kierunku zaporowym i uniemożliwia to przepływ przez złącze nośników większościowych, powodując jednocześnie przepływ nośników mniejszościowych. Dzięki temu, wszystkie nośniki wprowadzone z emitera do bazy, które dotarły do złącza baza-kolektor, przechodzą do kolektora. Nośniki, które przechodzą przez złącze baza-kolektor do kolektora tworzą prąd kolektora I_C. Ponieważ złącze baza-kolektor polaryzowane jest w kierunku zaporowym, wartość prądu płynącego przez złącze w niewielkim tylko stopniu zależy od napięcia polaryzującego złącze, a w głównej mierze zależy od ilości nośników mniejszościowych. W materiałach półprzewodnikowych bazy i kolektora występuje bardzo mało naturalnych nośników mniejszościowych. Znaczna ilość nośników mniejszościowych jest natomiast wprowadzana do bazy przez prąd emitera. W związku z tym wartość prądu kolektora I_C zależy przede wszystkim od wartości prądu emitera I_E i zważywszy na słabą rekombinację w obszarze bazy jest prawie taka sama jak I_E.

2. Narysować rodzinę charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego npn w układzie wspólnego emitera OE. Opisać osie - podać przykładowe wartości prądów i napięć.

W układzie wspólnego emitera (OE) obwodem wejściowym tranzystora jest obwód baza-emiter a obwodem wyjściowym jest obwód kolektor-emiter.

W poleceniu jest rodzina charakterystyk wyjściowych, więc z powyższego wykresu potrzebujemy tylko tych z 1 ćwiartki.

3. Charakterystyka wejściowa tranzystora bipolarnego npn w układzie OE. Podać metodę wyznaczania z niej rezystancji wejściowej.

Charakterystyka z 3 ćwiartki. ( Podobna do charakterystyki I-U złącza p-n ).

Rezystancję wejściową można wyznaczyć metodą stosowaną przy wyznaczaniu rezystancji w przypadku złącz p-n, tzn.:

Rezystancja statyczna jest określona przez nachylenie prostej łączącej punkt pracy z środkiem układu współrzędnych i jest zdefiniowana wzorem:

Natomiast rezystancja dynamiczna jest określona przez nachylenie stycznej do charakterystyki w punkcie pracy i jest zdefiniowana wzorem:

4. Charakterystyka przejściowa tranzystora npn w układzie OE. Jaki parametr tranzystora można z niej wyznaczyć i jak to zrobić?

Charakterystyka z 2 ćwiartki.

Z tej charakterystyki można wyznaczyć parametr β określany jako stosunek przyrostu prądu kolektora ΔI_C do wywołującego go przyrostu prądu bazy ΔI_B (przy stałej wartości napięcia U_CE). Jest to współczynnik wzmocnienia prądowego.

β = ΔI_C / ΔI_B

Parametr β jest najczęściej równy 20-200.

5. Co to jest stan nasycenia, a co to stan zatkania tranzystora bipolarnego? Gdzie wykorzystuje się te dwa stany?

Stan nasycenia i stan zatkania są stanami pracy tranzystora. W stanie zatkania złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym, natomiast w stanie nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia. Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej, jak również w układach cyfrowych.

6. Zdefiniować parametr β tranzystora. Podać typowe wartości. Podać metodę jego wyznaczenia.

Parametr β nazywany jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego w konfiguracji pracy wspólnego emitera (OE).

Zazwyczaj parametr β przyjmuje wartości od 20 do 200.

Może on być wyznaczony ze stosunku przyrostu prądu kolektora do wywołującego go przyrostu prądu bazy:

Zależność między rozpływem prądów w tranzystorze:

I_E = I_B + I_C

7. Podać ograniczenia obszaru pracy tranzystora bipolarnego, typowe wartości liczbowe.

Maksymalne dopuszczalne wartości prądów: kolektora I_Cmax, emitera I_Emax, bazy I_Bmax. Ich przekroczenie prowadzi do zniszczenia tranzystora w wyniku przekroczenia dopuszczalnej gęstości prądu na złączach. Maksymalne dopuszczalne wartości prądów zależą głównie od powierzchni złącz tranzystora. Dla małych tranzystorów, o małych powierzchniach złącz, I_Cmax jest rzędu kilkunastu lub kilkudziesięciu mA. Dla dużych tranzystorów, o dużych powierzchniach złącz, I_Cmax wynosi kilka a nawet kilkadziesiąt A. Wartości I_Emax są zwykle rzędu 1,1 I_Cmax, natomiast I_Bmax najczęściej wynosi około 0,1I_Cmax.

Maksymalna dopuszczalna wartość napięcia polaryzującego złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym przy rozwartym obwodzie emiter-baza: U_CBOmax. Określa ona wytrzymałość napięciową złącza kolektor-baza. Jej przekroczenie powoduje przebicie złącza. Zależnie od sposobu wykonania tranzystora U_CBOmax wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu woltów (w przypadku specjalnych tranzystorów - kilkaset a nawet kilka tysięcy woltów).

Maksymalna dopuszczalna wartość napięcia kolektor-emiter w układzie OE, przy rozwartym obwodzie baza-emiter: U_CEOmax. Powyżej tej wartości następuje przebicie polaryzowanego w kierunku zaporowym złącza kolektor-baza. Ze względu na właściwości wzmacniające tranzystora (wzmocnienie prądu zerowego kolektora w układzie OE), wartość ta może być znacznie mniejsza od U_CBOmax.

Maksymalna dopuszczalna temperatura złącz: t_jmax. Wynosi ona od 75^oC do 100^oC dla tranzystorów germanowych oraz 125^oC do 200^oC dla tranzystorów krzemowych. Jej przekroczenie powoduje zniszczenie struktury krystalicznej półprzewodnika. Ogranicza to temperaturę otoczenia, w którym przebywać może tranzystor zarówno podczas pracy, jak i w trakcie transportu, magazynowania itp. Ponadto, t_jmax ogranicza dodatkowo zakres napięć i prądów, dopuszczalnych dla tranzystora, gdyż w czasie pracy tranzystor nagrzewa się. Powodowane jest to wydzielaniem się w tranzystorze mocy o wartości równej iloczynowi prądu kolektora i napięcia kolektor-emiter: P_C=I_CU_CE. Moc ta musi być ograniczona tak, aby nie nastąpiło przekroczenie maksymalnej dopuszczalnej temperatury złącz t_jmax. Z tego wynika następne ograniczenie.

Maksymalna dopuszczalna moc tracona w tranzystorze P_Cmax. Jej wartość zależy od typu tranzystora, wartości t_jmax, maksymalnej temperatury otoczenia, w którym pracuje tranzystor oraz warunków chłodzenia tranzystora. Wynosi ona od kilkudziesięciu mW do kilkudziesięciu a nawet kilkuset W. Duże wartości P_­Cmax osiąga się przez stosowanie specjalnych radiatorów, ułatwiających chłodzenie tranzystora.

8. Wpływ temperatury na własności tranzystora bipolarnego.

Wzrost temperatury powoduje zmniejszenie napięcia U_BE (a przy stałym napięciu U_BE powoduje szybki wzrost prądu bazy i kolektora). Wzrost prądu (przy niezmienionym napięciu U_CE) oznacza wzrost mocy strat i dalszy wzrost temperatury, aż do momentu, w którym tranzystor zostanie uszkodzony. Podsumowując - temperatura ma niekorzystny wpływ na pracę i własności tranzystora bipolarnego.

9. Narysować schemat najprostszego wzmacniacza tranzystorowego w układzie OE. Od których elementów zależy w głównej mierze jego wzmocnienie napięciowe?

W obwodzie wejściowym (obwód baza-emiter tranzystora) znajduje się źródło zasilające E_B, polaryzujące złącze baza-emiter w kierunku przewodzenia oraz źródło sterujące, reprezentowane przez siłę elektromotoryczną E_G i rezystancję wewnętrzną R_g. W obwodzie wyjściowym (obwód kolektor-emiter) znajduje się źródło zasilające E_C, dostarczające napięcie do polaryzacji złącza kolektor-baza w kierunku zaporowym oraz rezystor R_C, zwany rezystorem kolektorowym.

Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza:

Wzmocnienie zależy, więc od źródła sterującego i od spadku napięcie w obwodzie kolektor-emiter tranzystora, czyli od źródła zasilającego E_C dostarczającego napięcia do polaryzacji złącza kolektor-baza w kierunku zaporowym.

10. Omówić wpływ wartości sygnału wejściowego na jakość pracy wzmacniacza.

Wzrost wartości E_G, a więc dodatni przyrost ΔE_G, wywołuje zmniejszenie wartości U_CE, czyli ujemny przyrost ΔU_CE. Odwrotnie, zmniejszenie E_G (ujemny przyrost ΔE_G) powoduje zwiększenie napięcia U_CE (dodatni przyrost ΔU_CE). Kierunek przyrostu ΔU_CE jest zawsze przeciwny niż kierunek przyrostu ΔE_G. Wzmacniacz tranzystorowy w układzie OE wprowadza zarem zmianę kierunku przyrostów napięcia wyjściowego w stosunku do przyrostów napięcia sterującego, co określa się jako odwrócenie fazy sygnału wyjściowego względem sygnału sterującego.

---