Rafał Tusz 10,styczeń,2000.

Fizyka, III rok

Poniedziałek, godzina 15¹⁵-18¹⁵

Charakterystyka przejściowa tranzystora

Ćwiczenie nr 29.

Wstęp Teoretyczny.

1. Pasmowa budowa ciał stałych.

Występujące w kryształach uporządkowanie dalekiego zasięgu powoduje występowanie pola elektrycznego, opisywanego okresową funkcją współrzędnych. Zmienia to w istotny sposób stany energetyczne elektronów w ciele stałym w porównaniu z dyskretnymi stanami w atomach izolowanych. Oddziaływanie elektronu z jądrem własnego atomu oraz poprzez pole elektryczne z atomami sieci krystalicznej prowadzi do rozszczepienia dyskretnych poziomów energetycznych. W ciele stałym zawierającym N oddziałujących ze sobą atomów, pojawia się N leżących blisko siebie poziomów energetycznych, które tworzą pasmo energetyczne. Dozwolone pasma energetyczne rozdzielone są obszarami zabronionych wartości energii elektronów -pasmami wzbronionymi. Ich szerokość jest tego samego rzędu co szerokość pasm dozwolonych. Elektrony mogą w różnym stopniu zapełniać pasma dozwolone, mogą również przechodzić z jednego na drugie. Na przeniesienie elektronu z pasma niższego do sąsiedniego pasma wyższego zużywana jest energia równa szerokości pasma wzbronionego, leżącego pomiędzy pasmami dozwolonymi (energia rzędu kilku eV). Różnorodność własności elektrycznych ciał stałych można w teorii pasmowej wyjaśnić różnym stopniem zapełnienia dozwolonych pasm energetycznych i różną ich szerokością. Warunkiem koniecznym do tego, by ciało stałe mogło być przewodnikiem jest obecność wolnych poziomów energetycznych, na które elektrony mogłyby przechodzić pod wpływem pola elektrycznego. Niecałkowicie zapełnione pasmo nazywamy pasmem przewodnictwa, gdyż znajdujące się w nim elektrony zwiększając swoją energię przechodzą na wyższe nieobsadzone - poziomy i zostają wprawione w ruch uporządkowany, w wyniku czego przez kryształ płynie prąd. W dielektrykach całkowicie zapełnione pasmo walencyjne oddalone jest od pasma przewodnictwa na tyle, że pole elektryczne źródła energii elektrycznej nie jest w stanie przenieść elektronów przez pasmo wzbronione na wyższy, wolny poziom energetyczny. W półprzewodniku przerwa energetyczna jest dużo węższa niż w dielektrykach, co umożliwia przejście elektronów do pasma przewodnictwa samoistnie pod wpływem wzbudzeń termicznych. Domieszkowanie półprzewodników niewielkimi ilościami atomów innych pierwiastków powoduje powstanie przewodnictw typu denarowego lub akceptorowego, w przewodnictwie denarowym elektrony domieszki wstrzykiwane są z pasma wzbronionego do wyższego pasma przewodnictwa. W przewodnictwie akceptorowym (dziurawym) pojawiają się dziury w paśmie przewodnictwa dziurawego po elektronach uzupełniających wolne miejsca w poziomach akceptorowych domieszki w paśmie wzbronionym.

2. Równanie Ebersa-Molla.

Zależność prądu kolektora od napięcia baza-emiter określone jest funkcją:

q - ładunek elektronu ( l. 60*IOE-19 C), k - stała Boltzmanna ( l.38*10E-23 J/K), T - temperatura bezwzględna w kelwinach, J_s - prąd nasycenia danego egzemplarza tranzystora (zależy od T). Równanie to nazywane jest równaniem Ebersa-Molla. Wynika z niego, że prąd kolektora zależy nie tylko od napięcia baza-emiter, lecz również od temperatury. Równanie to jest pomocne w analizie tranzystorowych układów wzmacniających.

3. Oscyloskop.

Umożliwia obserwację przebiegów elektrycznych oraz prawie wszystkich wielkości elektrycznych. Równoczesną obserwację kilku przebiegów na ekranie jednego oscyloskopu prowadzić można na dwa sposoby:

• ALT (albo-albo) - wyświetlany jest tylko jeden wybrany przebieg,

• CHOP (siekana) - naprzemienne wyświetlanie wszystkich przebiegów z dużą częstotliwością sprawia wrażenie jednoczesnej obserwacji kilku niezależnych sygnałów.

Oscyloskop jest najbardziej uniwersalnym elektronicznym przyrządem pomiarowym, stosowanym do pomiarów i badania okresowych i nieokresowych przebiegów elektrycznych, oraz zjawisk nieelektrycznych, które dają się przetworzyć na elektryczne. Za pomocą oscyloskopu można mierzyć wartości napięć, mocy, przesunięć fazowych, częstotliwości, badać charakterystykę diod, tranzystorów.

Przebieg pomiarów.

• Wyznaczenie charakterystyki przełączania tranzystora.

W tym celu zmontowano układ pomiarowy zgodnie ze schematem poniżej:

Następnie zdjęto zależność U_UC = f(U_BE), wyniki pomiarów zostały umieszczone w tabeli 1.

Tabela 1
Charakterystyka przełączenia tranzystora.
Lp.	UBE[V]	UUC[V]
1	0,54	14,97
2	0,55	14,95
3	0,56	14,89
4	0,57	14,79
5	0,58	14,62
6	0,59	14,36
7	0,6	14,05
8	0,61	13,29
9	0,62	11,83
10	0,63	10,7
11	0,64	8,59
12	0,65	3,1
13	0,66	0,13
14	0,67	0,06

(wykres załączony na końcu)

• Badanie przełączania tranzystora impulsem prostokątnym.

Układ pomiarowy zmontowano według schematu 2:

1. Przebieg napięcia generatora i napięcia tranzystora na bazie:

2. 
   
   Przebieg napięcia generatora i napięcia tranzystora na kolektorze:

3. 
   
   Przebieg napięć na bazie i kolektorze tranzystora:

Wnioski.

Obserwując zachowanie krzywej na wykresie 1 widzimy, że przy wzroście napięcia bazy napięcie kolektora maleje liniowo. Tranzystor zaczyna przełączać dopiero dla napięć rzędu 0,6 V w granicy obliczonego powyżej błędu. Aby zrozumieć dlaczego w otrzymanych przebiegach czas opóźnienia włączania i wyłączania niezbędne jest zrozumienie wewnętrznej budowy tranzystora i ograniczeń jakie się z tym wiążą. Opóźnienie to wynika z szybkości dyfuzji nośników w bazie - jest to bezpośrednią przyczyną opóźnienia fazowego jakie obserwujemy. Opóźnienia to jest bardziej widoczne w tranzystorach typu n-p-n (kiedyś stosowanych), od czasu gdy firma Sony wprowadziła na rynek tranzystory typu p-n-p zwiększyło to znacznie możliwości przenoszenia częstotliwości przez tranzystor, przez co przesunięcie fazowe się zmniejszyło. W tranzystorach typu p-n-p szybkość dyfuzji nośników jest znacznie większa niż w n-p-n. W tranzystorach pasmo przenoszenia przesunęło się w stronę górnych częstotliwości. Można jeszcze inaczej popatrzeć na to zagadnienie, a mianowicie można traktować układ jako filtr RC, czyli układ o określonej pojemności - czyli taki układ jest filtrem dolnoprzepustowym. Zwiększając ruchliwość nośników w tranzystorze zmniejszamy pojemność E-B(emiter - baza) i B-C(baza - colector), przez co zmniejsz się stała czasowa
i filtr przepuszcza również wyższe częstotliwości, czyli zwiększ się pasmo przenoszenia takiego układu.

2

5

2

7

---