Laboratorium elektroniki i miernictwa Ćwiczenie T1

Transkrypt

150946
Numer indeksu
151021
Numer indeksu
Michał Moroz
Imię i nazwisko
Paweł Tarasiuk
Imię i nazwisko
kierunek: Informatyka
semestr 2 grupa II
rok akademicki: 2008/2009
Laboratorium
elektroniki i miernictwa
Ćwiczenie T1
Charakterystyki tranzystorów
Ocena:
Streszczenie
Sprawozdanie z ćwiczenia, którego celem było wyznaczenie właściwości statycznych dla
tranzystora bipolarnego typu NPN w układzie wspólnego emitera oraz unipolarnego z kanałem typu N.
1
Teoria
W tym rozdziale zostaną omówione pokrótce poszczególne zagadnienia związane z tematem
przeprowadzanego ćwiczenia.
1.1
Tranzystor bipolarny
Tranzystory bipolarne są wynikiem połączenia dwóch złącz p-n, tak aby obszar n lub obszar p
był wspólny dla obu złącz. Stąd wynika podział na dwa główne typy tranzystorów bipolarnych –
NPN oraz PNP, które zostaną omówione w rozdziałach 1.1.1 i 1.1.2. W tranzystorze bipolarnym
wyróżnia się trzy wyprowadzenia - bazę (B), kolektor (C) i emiter (E), jak zostało to oznaczone
na rysunku 1.
T1
NPN
C
B
T2
PNP
E
B
E
C
Rysunek 1: Standardowe oznaczenia tranzystorów NPN i PNP.
Zasada działania tranzystora polega na wyprowadzeniu złącza emitera (którego działanie
można uogólnić do działania diody) ze stanu równowagi – do stanu przewodzenia. Emiter poprzez rekombinację zaczyna wprowadzać nośniki większościowe do bazy, które ze względu na
jej niewielką grubość przechodzą bezpośrednio do kolektora. Dzięki temu regulując prąd bazy
możemy w łatwy sposób sterować prądem kolektora.
Tranzystory bipolarne charakteryzują się pięcioma obszarami pracy:
1. Obszar aktywny – złącze BE spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, złącze
CB w kierunku zaporowym.
2. Obszar aktywny odwrócony – złącze BE spolaryzowane w kierunku zaporowym,
złącze CB w kierunku przewodzenia.
3. Obszar zatkania – złącza BE i CB spolaryzowane w kierunku zaporowym.
4. Obszar nasycenia – złącza BE i CB spolaryzowane w kierunku przewodzenia.
5. Obszar przebicia lawinowego – przy przekroczeniu napięcia progowego, występuje
efekt nagłego wzrostu przewodności tranzystora podobnie jak w diodzie.
W pierwszych modelach tranzystorów złącza były symetryczne, co powodowało, że różnica
między kolektorem i emiterem zacierała się i tranzystor działał podobnie w stanie aktywnym
i aktywnym inwersyjnym. We współczesnych tranzystorach stan aktywny odwrócony nie jest
wykorzystany ze względu na gorsze parametry od stanu aktywnego, co spowodowane jest niejednorodnym rozłożeniem domieszek w strukturze tranzystora. Tranzystory o niejednorodnym
rozłożeniu domieszek nazywane są epiplanarnymi.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1
2 / 18
Stan nasycenia i odcięcia są odpowiednikami logicznych stanów 1 i 0 w układach cyfrowych, z
kolei stan aktywny wykorzystywany jest w układach analogowych ze względu na prawie liniową
zależność między prądem bazy i prądem kolektora i bardzo duże (zwykle – kilkusetkrotne)
wzmocnienie sygnału.
1.1.1
Tranzystor NPN
W tranzystorze NPN złącze BE można potraktować jako diodę z kierunkiem przewodzenia
od bazy do emitera. Zatem kiedy napięcie na bazie tranzystora będzie większe niż napięcie na
emiterze o graniczną wartość przewodzenia diody, prąd zacznie płynąć przez to złącze i stopniowo
otwierać tranzystor aż do momentu, kiedy wejdzie w stan nasycenia.
1.1.2
Tranzystor PNP
W tranzystorze PNP złącze BE można potraktować jako diodę z kierunkiem przewodzenia
od emitera do bazy. Kiedy napięcie na bazie tranzystora będzie niższe od wartości na emiterze o
graniczną wartość przewodzenia diody, prąd zacznie płynąć przez to złącze i tranzystor zacznie
się otwierać.
1.2
Model hybrydowy
Model hybrydowy jest jednym ze schematów zastępczych tranzystora używanych do analizy
parametrów charakteryzujących dany tranzystor. Tranzystor w układzie wspólnego emitera jest
zastępowany układem przedstawionym na rysunku 2.
J1
h21 * Ib
CS1
h11
~
VS1
h12 * Uce
EMITTER
COLLECTOR
h22
J3
R1
R2
BASE
J2
J4
Rysunek 2: Schemat zastępczy dla modelu hybrydowego.
Tranzystor w układzie wspólnego emitera jest tu przedstawiony jako czwórnik, którego elementami jest źródło napięciowe na bazie i źródło prądowe na kolektorze. Model ten opisany jest
układem równań w funkcji prądu bazy IB i napięcia kolektor-emiter UCE :
UBE = h11e · IB + h12e · UCE
(1)
IC = h21e · IB + h22e · UCE
(2)
Cztery współczynniki h11e , h12e , h21e , h22e są charakterystycznymi parametrami dla tego
układu i opisują kolejno:
1. h11e – impedancja wejściowa przy zwartym obwodzie wyjściowym.
2. h12e – zwrotne wzmocnienie napięciowe przy rozwartym obwodzie wejściowym.
3. h21e – zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego.
3 / 18
4. h22e – admitancja wyjściowa przy rozwartym obwodzie wejściowym.
W dalszej części sprawozdania będziemy posługiwać się pojęciami rezystancja dla h11e oraz
konduktancja dla h22e , ponieważ pomiary przeprowadzane są dla prądu stałego.
Poszczególne parametry można obliczyć za pomocą poniższych równań:
h11e =
∂UBE
∂IB
h12e =
h21e =
h22e =
∂UBE
∂UCE
∂IC
∂IB
(3)
UCE =const
(4)
IB =const
(5)
UCE =const
∂IC
∂UCE
(6)
IB =const
Przedstawiony model nie jest idealny, przykładowo nie obejmuje swoją definicją pojemności,
która występuje w tranzystorach i której wpływ jest bardzo widoczny przy wysokich częstotliwościach (rzędu kilkudziesięciu MHz i wyższych).
1.3
JFET - złączowy tranzystor polowy
Tranzystor polowy złączowy z kanałem typu n (którego symbol przedstawiony jest na rysunku 3) to rodzaj tranzystora unipolarnego. Zbudowany jest z warstwy półprzewodnika typu n, na
której końcach znajduje się dren (D) i źródło (S) tranzystora. Bramka (G), będąca warstwą silnie domieszkowanego półprzewodnika typu p nie rozdziela, tak jak w tranzystorach bipolarnych,
źródła i drenu, ale znajduje się obok kanału przewodzenia.
D
T1
G
S
Rysunek 3: Symbol n-kanałowego tranzystora JFET.
Kiedy podamy napięcie dodatnie na bramkę (relatywnie do źródła), tranzystor ten zachowa
się jak dioda. Tryb ten nie jest wykorzystywany w praktyce.
Po przyłożeniu napięcia ujemnego, grubość warstwy zubożonej zmienia się w zależności od
różnicy napięć, co powoduje zmniejszenie bądź zwiększenie przewodzącego kanału, dając w efekcie możliwość sterowania przepływem prądu przez kanał. Przy osiągnięciu napięcia UGS(OF F )
warstwa zubożona całkowicie odcina kanał. Płynie wtedy tylko niewielki prąd upływu ID(OF F )
rzędu pojedynczych mikroamperów. Opisana zależność nazywana jest efektem polowym tranzystora, stąd nazwa FET (Field Effect Transistor ).
Podstawową różnicą w działaniu tranzystora bipolarnego i unipolarnego jest to, że bramka tranzystora unipolarnego nie jest sterowana prądem, a napięciem, ze względu na wsteczną
polaryzację złącza p-n. Zapewnia to bardzo dużą impedancję wejściową takiego tranzystora.
Tranzystory JFET znajdują zastosowanie w niskoszumnych wzmacniaczach operacyjnych i
jako wtórniki wejściowe oscyloskopów ze względu na wyżej wymienioną impedancję, niskie szumy
i mniejszy prąd upływu w stosunku do tranzystorów bipolarnych.
4 / 18
2
Analiza wyników
Pomiary były zrealizowane z użyciem multimetrów M–4660A, nr J3–011–T6–65 i J3–011–
T6–66, M–4650, nr J3/M/1 i J3–T6–262/4, zasilacza MPS3003L–3, nr J3/011/T6–71, zespołu źródeł sterujących ZŹS–05, generatora DF1641A, nr J3–T6–263/1 oraz oscyloskopu
GOS–630, nr J3–011–T6–59.
Badany był układ T1-03, którego schematy znajdują się na rysunkach 4, 10 oraz 14.
2.1
Pomiary tranzystora bipolarnego
Na rysunku 4 został przedstawiony schemat urządzenia przeznaczonego do badania charakterystyk tranzystora bipolarnego. Podczas wszystkich pomiarów za pomocą tego układu wykorzystywane były te same multimetry: M–4660A, nr J3–011–T6–65 jako V1, M–4660A, nr
J3–011–T6–66 jako V2, M–4650, nr J3/M/1 jako A1 oraz M–4650, nr J3–T6–262/4 jako
A2.
A
V
V
CS1
ZZS-05
V2
M-4660A
A1
M-4650
V1
M-4660A
-
G1
A
+
A2
M-4650
ZN
T1
Rysunek 4: Schemat urządzenia pomiarowego do badania tranzystora bipolarnego.
Wyniki pomiarów dla tranzystora bipolarnego zostały zestawione w tabelach 1, 2, 3 oraz 4.
Należy zaznaczyć, że wartości stałych podane w tytułach tabel są tylko wartościami poglądowymi.
5 / 18
Tabela 1: Pomiary tranzystora
IB [µA]
UBE [V]
(0,27 ± 0,01) (0,393 ± 0,001)
(0,27 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,27 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,27 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,27 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,27 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
(0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001)
bipolarnego przy IB = 0,25 µA.
UCE [V]
IC [mA]
(0,000 ± 0,001)
(0,00 ± 0,01)
(0,494 ± 0,001)
(0,00 ± 0,01)
(1,025 ± 0,001)
(0,00 ± 0,01)
(1,500 ± 0,001)
(0,00 ± 0,01)
(2,063 ± 0,002)
(0,00 ± 0,01)
(2,523 ± 0,002)
(0,00 ± 0,01)
(3,007 ± 0,002)
(0,00 ± 0,01)
(3,495 ± 0,002)
(0,00 ± 0,01)
(4,021 ± 0,003)
(0,00 ± 0,01)
(4,497 ± 0,003)
(0,00 ± 0,01)
(5,017 ± 0,003)
(0,00 ± 0,01)
(5,588 ± 0,003)
(0,00 ± 0,01)
(6,027 ± 0,004)
(0,00 ± 0,01)
(7,070 ± 0,004)
(0,00 ± 0,01)
(7,546 ± 0,004)
(0,00 ± 0,01)
(8,003 ± 0,005)
(0,00 ± 0,01)
(8,491 ± 0,005)
(0,00 ± 0,01)
(9,020 ± 0,005)
(0,00 ± 0,01)
(9,500 ± 0,005)
(0,00 ± 0,01)
(10,587 ± 0,006) (0,00 ± 0,01)
Przy obliczaniu średniej wartości stałych w tabelach będziemy korzystać ze wzorów na średnią i na średni błąd średniej. Możemy założyć, że średni błąd średniej zastąpi inne błędy pomiarowe ze względu na dużą ilość pomiarów podczas każdego badania.
x̄ =
∆x̄ =
n
1X
xi
n i=1
v
uP
u n (x − x̄)2
u
i
t i=1
n (n − 1)
(7)
(8)
Obliczamy średni prąd bazy i średni błąd średniej dla wartości z tabeli 1:
I¯B = (0, 28 ± 0, 01) µA
Z tabeli możemy łatwo wyczytać, że tak mały prąd bazy nie powoduje otwarcia złącza
kolektor-emiter.
6 / 18
Tabela
IB [µA]
(100,26 ±
(100,05 ±
(100,22 ±
(100,04 ±
(100,18 ±
(100,16 ±
(100,14 ±
(100,13 ±
(100,12 ±
(100,09 ±
(100,08 ±
(100,08 ±
(100,07 ±
(100,06 ±
(100,06 ±
(100,05 ±
2: Pomiary tranzystora bipolarnego przy IB
UBE [V]
UCE [V]
0,31) (0,594 ± 0,001) (0,013 ± 0,001)
0,31) (0,621 ± 0,001) (0,051 ± 0,001)
0,31) (0,661 ± 0,001) (0,104 ± 0,001)
0,31) (0,671 ± 0,001) (0,145 ± 0,001)
0,31) (0,679 ± 0,001) (0,211 ± 0,001)
0,31) (0,678 ± 0,001) (0,302 ± 0,001)
0,31) (0,679 ± 0,001) (0,406 ± 0,001)
0,31) (0,679 ± 0,001) (0,500 ± 0,001)
0,31) (0,678 ± 0,001) (1,006 ± 0,001)
0,31) (0,677 ± 0,001) (2,061 ± 0,002)
0,31) (0,675 ± 0,001) (3,030 ± 0,002)
0,31) (0,673 ± 0,001) (4,014 ± 0,003)
0,31) (0,671 ± 0,001) (5,160 ± 0,003)
0,31) (0,670 ± 0,001) (6,005 ± 0,004)
0,31) (0,667 ± 0,001) (8,067 ± 0,005)
0,31) (0,662 ± 0,001) (10,581 ± 0,006)
= 100 µA.
IC [mA]
(0,00 ± 0,01)
(0,61 ± 0,01)
(3,01 ± 0,02)
(4,88 ± 0,03)
(6,06 ± 0,04)
(6,23 ± 0,04)
(6,23 ± 0,04)
(6,23 ± 0,04)
(6,25 ± 0,04)
(6,28 ± 0,04)
(6,31 ± 0,04)
(6,35 ± 0,04)
(6,38 ± 0,04)
(6,41 ± 0,04)
(6,47 ± 0,04)
(6,54 ± 0,04)
Obliczamy średnią i średni błąd średniej dla wartości z tabeli 2.
I¯B = (100, 11 ± 0, 02) µA
IB [µA]
UBE [V]
(0,28 ± 0,01)
(0,465 ± 0,001)
(4,88 ± 0,02)
(0,570 ± 0,001)
(10,48 ± 0,04)
(0,610 ± 0,001)
(19,37 ± 0,06)
(0,629 ± 0,001)
(30,47 ± 0,10)
(0,642 ± 0,001)
(40,86 ± 0,13)
(0,650 ± 0,001)
(50,72 ± 0,16)
(0,655 ± 0,001)
(60,75 ± 0,19)
(0,660 ± 0,001)
(70,58 ± 0,22)
(0,663 ± 0,001)
(80,80 ± 0,25)
(0,666 ± 0,001)
(90,52 ± 0,28)
(0,669 ± 0,001)
(100,57 ± 0,31) (0,671 ± 0,001)
(110,64 ± 0,34) (0,673 ± 0,001)
(120,89 ± 0,37) (0,675 ± 0,001)
(130,04 ± 0,40) (0,676 ± 0,001)
(139,02 ± 0,42) (0,677 ± 0,001)
(150,10 ± 0,46) (0,678 ± 0,001)
(159,94 ± 0,49) (0,679 ± 0,001)
(170,75 ± 0,52) (0,681 ± 0,001)
(180,99 ± 0,55) (0,681 ± 0,001)
(190,85 ± 0,58) (0,681 ± 0,001)
bipolarnego przy
UCE [V]
(5,001 ± 0,003)
(5,002 ± 0,003)
(5,000 ± 0,003)
(4,999 ± 0,003)
(4,998 ± 0,003)
(4,997 ± 0,003)
(4,996 ± 0,003)
(4,995 ± 0,003)
(4,994 ± 0,003)
(4,993 ± 0,003)
(4,992 ± 0,003)
(4,991 ± 0,003)
(4,991 ± 0,003)
(4,990 ± 0,003)
(4,989 ± 0,003)
(4,988 ± 0,003)
(4,987 ± 0,003)
(4,986 ± 0,003)
(4,986 ± 0,003)
(4,985 ± 0,003)
(4,984 ± 0,003)
UCE = 5 V.
IC [mA]
(0,00 ± 0,01)
(0,16 ± 0,01)
(0,44 ± 0,01)
(0,95 ± 0,01)
(1,64 ± 0,01)
(2,31 ± 0,02)
(2,96 ± 0,02)
(3,64 ± 0,02)
(4,30 ± 0,03)
(5,01 ± 0,03)
(5,71 ± 0,03)
(6,43 ± 0,04)
(7,15 ± 0,04)
(7,90 ± 0,04)
(8,57 ± 0,05)
(9,30 ± 0,05)
(10,06 ± 0,06)
(10,81 ± 0,06)
(11,63 ± 0,06)
(12,41 ± 0,07)
(13,17 ± 0,07)
7 / 18
¯ = (4, 992 ± 0, 002) V
UCE
IB [µA]
UBE [V]
(0,28 ± 0,01)
(0,464 ± 0,001)
(5,00 ± 0,02)
(0,585 ± 0,001)
(10,32 ± 0,04)
(0,609 ± 0,001)
(20,35 ± 0,07)
(0,628 ± 0,001)
(30,19 ± 0,10)
(0,638 ± 0,001)
(40,04 ± 0,13)
(0,646 ± 0,001)
(50,65 ± 0,16)
(0,652 ± 0,001)
(59,57 ± 0,18)
(0,654 ± 0,001)
(70,33 ± 0,22)
(0,657 ± 0,001)
(80,20 ± 0,25)
(0,659 ± 0,001)
(90,47 ± 0,28)
(0,661 ± 0,001)
(100,16 ± 0,31) (0,662 ± 0,001)
(110,43 ± 0,34) (0,663 ± 0,001)
(120,66 ± 0,37) (0,664 ± 0,001)
(130,91 ± 0,40) (0,663 ± 0,001)
(140,77 ± 0,43) (0,664 ± 0,001)
(150,05 ± 0,46) (0,664 ± 0,001)
(160,29 ± 0,49) (0,664 ± 0,001)
(170,51 ± 0,52) (0,664 ± 0,001)
(180,56 ± 0,55) (0,662 ± 0,001)
(190,62 ± 0,58) (0,663 ± 0,001)
bipolarnego przy UCE = 10 V.
UCE [V]
IC [mA]
(10,075 ± 0,006) (0,00 ± 0,01)
(10,075 ± 0,006) (0,16 ± 0,01)
(10,074 ± 0,006) (0,44 ± 0,01)
(10,073 ± 0,006) (1,02 ± 0,01)
(10,071 ± 0,006) (1,64 ± 0,01)
(10,071 ± 0,006) (2,27 ± 0,02)
(10,063 ± 0,006) (3,00 ± 0,02)
(10,063 ± 0,006) (3,62 ± 0,02)
(10,068 ± 0,006) (4,37 ± 0,03)
(10,066 ± 0,006) (5,08 ± 0,03)
(10,065 ± 0,006) (5,83 ± 0,03)
(10,061 ± 0,006) (6,56 ± 0,04)
(10,061 ± 0,006) (7,34 ± 0,04)
(10,062 ± 0,006) (8,11 ± 0,05)
(10,062 ± 0,006) (8,92 ± 0,05)
(10,061 ± 0,006) (9,69 ± 0,05)
(10,060 ± 0,006) (10,46 ± 0,06)
(10,058 ± 0,006) (11,28 ± 0,06)
(10,058 ± 0,006) (12,12 ± 0,07)
(10,057 ± 0,006) (12,97 ± 0,07)
(10,057 ± 0,006) (13,81 ± 0,07)
¯ = (10, 065 ± 0, 002) V
UCE
Ze względu na niewielkie odchylenia rzędu 0,5 %, lub mniejsze średnie wartości stałych z
powyższych tabel (wyłączając tabelę 1) możemy przyjąć wartości przybliżone – w kolejności
100 µA, 5 V oraz 10 V. Dla stałej z tabeli 1) przyjmujemy dalszą wartość równą 0,28 µA.
Z danych przedstawionych powyżej możemy wyznaczyć wykresy poszczególnych przebiegów.
Poszczególne charakterystyki zostały przedstawione na rysunkach 5, 6, 7, 8, a wspólny wykres
wszystkich czterech wykresów przedstawiony został na rysunku 11.
8 / 18
Rysunek 5: Wykres charakterystyk wyjściowych badanego tranzystora.
Rysunek 6: Wykres charakterystyk przejściowych badanego tranzystora – zależność napięciowa.
9 / 18
Rysunek 7: Wykres charakterystyk wejściowych badanego tranzystora.
Rysunek 8: Wykres charakterystyk przejściowych badanego tranzystora – zależność prądowa.
10 / 18
Rysunek 9: Charakterograf tranzystora bipolarnego.
Dzięki takiemu zestawieniu danych, możemy policzyć wartości parametrów dynamicznych
tranzystora.
h11e = (28, 7 ± 3, 1) Ω
h12e = (−1, 7 ± 0, 1) · 10−3
h21e = (74, 8 ± 0, 2)
h22e = (3, 17 ± 0, 05) · 10−5 S
Na podstawie tych wyników stwierdzamy, że dla UCE równego 10 V oraz IB równego 100 µA,
rezystancja wejściowa tranzystora wynosi (28,7 ± 3,1) Ω, wzmocnienie prądowe – (74,8 ± 0,2),
wzmocnienie napięciowe (odwrotność zwrotnego wzmocnienia napięcia) KU = (588 ± 59), oraz
opór wyjściowy (31,5 ± 1,6) kΩ.
Wyniki te pokrywają się z teoretycznymi rozważaniami nt. tranzystora bipolarnego w układzie wspólnego emitera. Wysokie współczynniki wzmocnienia prądowego i napięciowego przy
prawie liniowej zależności prądu kolektora od prądu bazy pozwalają nam sądzić, że tranzystor
spisałby się nieźle w układzie wzmacniacza prądowego małych mocy i małych częstotliwości –
np. do zastosowania jako wzmacniacz słuchawkowy. Niewiele możemy powiedzieć o jego wartościach granicznych, dlatego nie jesteśmy w stanie stwierdzić, czy tranzystor działałby dobrze
przy dużych mocach i częstotliwościach.
Należy pamiętać, że przy układach o tak niskiej rezystancji wejściowej na bazie tranzystora
koniecznie powinien znaleźć się jakiś rezystor, aby zabezpieczyć tranzystor przed spaleniem.
11 / 18
2.2
Pomiary tranzystora unipolarnego
Do przeprowadzania pomiarów zostały wykorzystane multimetry M–4660A, nr J3–011–
T6–65 jako V1, M–4660A, nr J3–011–T6–66 jako V2 oraz M–4650, nr J3–T6–262/4 jako
A1.
Wyniki pomiarów tranzystora unipolarnego zostały zestawione w tabelach 5, 6 oraz 7.
A
V
ZN
V2
M-4660A
V
V1
M-4660A
G2
+
ZZS-05
-
-
G1
Q1
+
A2
M-4650
Rysunek 10: Schemat urządzenia pomiarowego do badania tranzystora unipolarnego.
Tabela 5: Pomiary tranzystora bipolarnego przy UDS = 5 V.
UGS [V]
UDS [V]
I [mA]
(-13,890 ± 0,007) (5,013 ± 0,003) (0,00 ± 0,01)
(-12,999 ± 0,007) (5,014 ± 0,003) (0,00 ± 0,01)
(-12,021 ± 0,007) (5,014 ± 0,003) (0,00 ± 0,01)
(-11,013 ± 0,006) (5,014 ± 0,003) (0,00 ± 0,01)
(-9,975 ± 0,005)
(5,014 ± 0,003) (0,00 ± 0,01)
(-9,002 ± 0,005)
(5,014 ± 0,003) (0,00 ± 0,01)
(-8,070 ± 0,005)
(5,015 ± 0,003) (0,00 ± 0,01)
(-7,052 ± 0,004)
(5,015 ± 0,003) (0,00 ± 0,01)
(-6,099 ± 0,004)
(5,015 ± 0,003) (0,00 ± 0,01)
(-5,047 ± 0,003)
(5,015 ± 0,003) (0,08 ± 0,01)
(-4,494 ± 0,003)
(5,014 ± 0,003) (0,79 ± 0,01)
(-4,006 ± 0,003)
(5,013 ± 0,003) (1,88 ± 0,01)
(-3,498 ± 0,002)
(5,011 ± 0,003) (3,31 ± 0,02)
(-3,043 ± 0,002)
(5,009 ± 0,003) (4,78 ± 0,03)
(-2,558 ± 0,002)
(5,006 ± 0,003) (6,57 ± 0,04)
(-2,025 ± 0,002)
(5,004 ± 0,003) (8,55 ± 0,05)
(-1,514 ± 0,001)
(5,001 ± 0,003) (10,66 ± 0,06)
(-1,010 ± 0,001)
(4,999 ± 0,003) (12,90 ± 0,07)
(-0,498 ± 0,001)
(4,955 ± 0,003) (15,25 ± 0,08)
(-0,256 ± 0,001)
(4,954 ± 0,003) (16,42 ± 0,09)
(0,018 ± 0,001)
(4,950 ± 0,003) (17,19 ± 0,09)
Obliczamy średnią i średni błąd średniej dla wyników z tabeli 5.
¯ = (5, 002 ± 0, 005) V
UDS
12 / 18
Tabela 6: Pomiary tranzystora bipolarnego przy UGS = -4 V.
UGS [V]
UDS [V]
I [mA]
(-4,008 ± 0,003) (0,000 ± 0,001)
(0,00 ± 0,01)
(-4,008 ± 0,003) (0,503 ± 0,001)
(0,87 ± 0,01)
(-4,008 ± 0,003) (1,012 ± 0,001)
(1,29 ± 0,01)
(-4,008 ± 0,003) (1,514 ± 0,001)
(1,48 ± 0,01)
(-4,008 ± 0,003) (2,016 ± 0,002)
(1,60 ± 0,01)
(-4,008 ± 0,003) (2,545 ± 0,002)
(1,68 ± 0,01)
(-4,008 ± 0,003) (3,026 ± 0,002)
(1,73 ± 0,01)
(-4,008 ± 0,003) (4,027 ± 0,003)
(1,82 ± 0,01)
(-4,008 ± 0,003) (5,095 ± 0,003)
(1,89 ± 0,01)
(-4,008 ± 0,003) (6,045 ± 0,004)
(1,97 ± 0,02)
(-4,008 ± 0,003) (7,096 ± 0,004)
(1,99 ± 0,02)
(-4,008 ± 0,003) (8,010 ± 0,005)
(2,02 ± 0,02)
(-4,008 ± 0,003) (9,070 ± 0,005)
(2,04 ± 0,02)
(-4,008 ± 0,003) (10,173 ± 0,006) (2,08 ± 0,02)
(-4,008 ± 0,003) (10,573 ± 0,006) (2,09 ± 0,02)
(-4,008 ± 0,003) (0,266 ± 0,001)
(0,53 ± 0,01)
(-4,008 ± 0,003) (0,748 ± 0,001)
(1,11 ± 0,01)
(-4,008 ± 0,003) (1,250 ± 0,001)
(1,40 ± 0,01)
U¯GS = (−4, 008 ± 0, 000) V
Tabela 7: Pomiary tranzystora bipolarnego przy UCE = -1,5 V.
UGS [V]
UDS [V]
I [mA]
(-1,503 ± 0,001) (0,000 ± 0,001)
(0,00 ± 0,01)
(-1,503 ± 0,001) (0,243 ± 0,001)
(1,51 ± 0,01)
(-1,503 ± 0,001) (0,483 ± 0,001)
(2,88 ± 0,02)
(-1,503 ± 0,001) (0,750 ± 0,001)
(4,26 ± 0,03)
(-1,503 ± 0,001) (0,993 ± 0,001)
(5,37 ± 0,03)
(-1,503 ± 0,001) (1,269 ± 0,001)
(6,44 ± 0,04)
(-1,503 ± 0,001) (1,495 ± 0,001)
(7,19 ± 0,04)
(-1,503 ± 0,001) (2,016 ± 0,002)
(8,52 ± 0,05)
(-1,503 ± 0,001) (2,527 ± 0,002)
(9,36 ± 0,05)
(-1,503 ± 0,001) (3,010 ± 0,002)
(9,86 ± 0,05)
(-1,503 ± 0,001) (3,981 ± 0,002)
(10,45 ± 0,06)
(-1,503 ± 0,001) (5,093 ± 0,003)
(10,75 ± 0,06)
(-1,503 ± 0,001) (6,096 ± 0,004)
(10,89 ± 0,06)
(-1,503 ± 0,001) (6,991 ± 0,004)
(10,96 ± 0,06)
(-1,503 ± 0,001) (8,021 ± 0,005)
(11,01 ± 0,06)
(-1,503 ± 0,001) (9,039 ± 0,005)
(11,03 ± 0,06)
(-1,503 ± 0,001) (10,002 ± 0,006) (11,04 ± 0,06)
(-1,503 ± 0,001) (10,576 ± 0,006) (11,04 ± 0,06)
13 / 18
U¯GS = (−1, 503 ± 0, 000) V
Wykresy 11, 12 i 13 przedstawiają powyższe wyniki pomiarów w postaci łatwej do odczytania.
Rysunek 11: Wykres charakterystyk przejściowych badanego tranzystora.
14 / 18
Rysunek 12: Wykres charakterystyk wyjściowych badanego tranzystora.
Na wykresie 11 można wyznaczyć punkt UGS(OF F ) w okolicy -5 V, w zależności od tego, jaką
wartość prądu ID uznamy za graniczną. Dla przykładu, wartość 1 mA została osiągnięta przy
napięciu 0,14 V dla UGS = −4 V oraz przy napięciu 0,62 V dla UGS = −1, 5 V.
W obszarze pomiędzy -4 V a 0 V występuje prawie idealna prosta, z której można skorzystać
do wzmacniania sygnału przy małym poziomie zniekształceń nieliniowych. Stąd użycie tych
tranzystorów w oscyloskopach.
Rysunek 13: Charakterograf tranzystora unipolarnego.
15 / 18
2.3
Wizualizacja charakterystyki wyjściowej tranzystora polowego
Do przeprowadzenia tego doświadczenia wykorzystano multimetr M–4660A, nr J3–011–
T6–66 oraz oscyloskopu GOS–630, nr J3–011–T6–59. Schemat układu znajduje się na rysunku
14.
V
V1
M-4660A
G2
~
G1
DF1641A
+
ZZS-05
-
Q1
J1
UX+
UY+
J3
R1
J2
UX-
UY-
GND GND
J4
GND
GND
Rysunek 14: Schemat urządzenia pomiarowego do badania charakterystyki wyjściowej tranzystora polowego.
Korzystając z generatora funkcyjnego oraz oscyloskopu , czy nasze wcześniejsze przewidywania i wyniki są prawidłowe dla sygnałów o małej częstotliwości.
Rysunek 15: Oscylogram – f = 560 Hz, X-Y, X: 2 V/div, Y: 20 mV/div, U = -4,031 V
16 / 18
17 / 18
Zaobserwowana nieliniowość w dolnej części oscylogramu 16 to najprawdopodobniej efekt
działania kondensatora.
3
Wnioski końcowe
Oba tranzystory posiadają obszary liniowej pracy, dzięki którym mogą wzmacniać dany sygnał bez zmiany jego kształtu lub z niewielkimi zniekształceniami, co jest przyczyną ich wszechstronnych zastosowań. Dzięki możliwości szybkiego przełączania się pomiędzy trybami zatkania
i nasycenia tranzystory są najczęściej używanymi elementami w technice cyfrowej, a możliwość
sterowania prądem pozwala na tworzenie prostych zasilaczy małych i średnich mocy. W porównaniu z elementami pasywnymi, takimi jak rezystor, tranzystory mogą znajdować się w różnych
stanach otwarcia i mogą być łatwo (przy użyciu niewielkiego prądu i wykorzystując niskie napięcia) wykorzystane do przechowywania informacji. W porównaniu z lampami, tranzystory zyskują
ze względu na mniejsze straty ciepła i brak konieczności operacji na wysokich napięciach oraz
ciągłego podgrzewania katody lampy.
Tranzystory ze względu na swoje niewielkie rozmiary znajdują zastosowanie w układach o
dowolnym stopniu integracji. Proces wytwarzania tranzystorów ze złącz krzemowych jest bardzo
tani, dzięki czemu nie jest problematycznym budowanie układów z wielką ilością tranzystorów,
za przykład mając chociażby współczesne procesory.
Literatura
[1] Bogdan Żółtowski, Wprowadzenie do zajęć laboratoryjnych z fizyki, Skrypt Politechniki Łódzkiej, Łódź 2002.
[2] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki, Tom 3., Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.
[3] S. M. Kaczmarek, PRZEBICIE I MODELE ZŁĄCZA p-n
http://www.skaczmarek.ps.pl/Wyk5_el.pdf
18 / 18

Laboratorium elektroniki i miernictwa Ćwiczenie T1

Transkrypt

Podobne dokumenty

1 Tranzystor Bipolarny

Icom HM-36 "Made in China" Mic Mod - AR15.COM

Tranzystor bipolarny - Instytut Fizyki Doświadczalnej UG