tranzystor bipolarny –charakterystyki statyczne

POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr4
F1 2002/2003 sem. letni
TRANZYSTOR BIPOLARNY –CHARAKTERYSTYKI
STATYCZNE
Celem ćwiczenia jest pomiar charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego npn lub pnp pracującego w układach wspólnego emitera (WE) oraz wspólnej bazy (WB).
A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami:
Zapoznanie się z treścią poniższej instrukcji, zapoznanie się z teoretycznymi podstawami działania tranzystora bipolarnego, przygotowanie schematów pomiarowych.
B) WPROWADZENIE
W tranzystorze n-p-n złącze n+-p+ jest nazywane złączem emiterowym (sterującym), sam zaś obszar n+ - emiterem.
(+ oznacza silne domieszkowanie danego obszaru). Zadaniem emitera jest wstrzykiwanie nadmiarowych nośników – elektronów do obszaru p zwanego obszarem bazy. W bazie elektrony stanowią nośniki mniejszościowe, których większość
uczestniczy w prądzie zaporowym drugiego złącza tranzystora nazywanego złączem kolektorowym (sterowanym). Obszar n tego złącza nazywa się kolektorem. W przypadku tranzystora pnp należy odpowiednio uwzględnić zmianę domieszkowania poszczególnych
a)
_
+
UBE
RE
B
b)
+
n++
UCE
RC
n+
E
emiter
+
p
baza
4
5
3
IE
n
IC
+
n
Wb
IB
1 p
C
2
kolektor
Rys.1. Idea budowy
i działania tranzystora n-p-n, (WB) a)Polaryzacja dla układu WE w stanie
aktywnym normalnym
b).Rozpływ prądów tranzystorze: 1-ułamek liczby elektronów ulegających rekombinacji w bazie
2- elektrony wstrzyknięte do bazy i osiągające obszar kolektora
3-nośniki generowane termicznie - zaporowy prąd złącza kolektora
4-dziury dostarczane przez końcówkę bazy rekombinujące z elektronami
5-dziury dyfundujące z bazy do emitera
IC[mA]
PRZEJŚCIOWE
IB=30µ
5
UCE= 5V
WYJŚCIOWE
IC
UCE= 10 V
ICmax
IB=10µA
IB=0µA
IB[µA]
5
UCE= 5V
UCE= 10V
WEJŚCIOWE
UCB=0
IB=20µA
0
0.4
0.8
UEB
5
UCE [V]
IB=1µA1
IB=5µA
IB=30µA
ZWROTNE
ICEO
N
A
S
Y
C
E
N
I
E
IB=30µA
Ptot
IB=20µA
Obszar dozwolony
IB=10µA
IB=0µA
ODCIĘCIE
UCEmax
UCEOmax
UCE
Rys.2 Rodziny ch-styk dla układu WE. oraz parametry statyczne, dozwolony obszar pracy aktywnej tranzystora; Ptotdopuszczalna moc admisyjna; ICmax- maksymalny prąd kolektora (ograniczenie wynika ze zmian α,β w funkcji IC a nie z np.
niszczenia); UCEmax - dopuszczalne napięcie kolektor-emiter (określane jako np. 0.8 UCEO); ICEO - prąd zerowy kolektora
(granica pomiędzy odcięciem a zakresem aktywnym); UCEsat - napięcie nasycenia (tylko w WE), rozgranicza nasycenie od
stanu aktywnego,. Większość zaznaczonych parametrów są to parametry ograniczające dozwolony obszar pracy tranzystora.
1
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr4
F1 2002/2003 sem. letni
Tranzystor jest elementem trójkońcówkowym, dwuzłączowym, istnieją więc cztery różne kombinacje znaków napięć
polaryzujących oba złącza które określają jego stany pracy.
UBC
„+”
NASYCENIA
AKTYWNY
INWERSYJNY
UBC
„+”p.p
„AKTYWNY
NORMALNY
ZAPOROWY/
ZATKANIE
„-
Rys. 3.Stany pracy tranzystora bipolarnego.
Tranzystor jako element trójkońcówkowy, traktowany jako czwórnik (wejście i wyjście sygnału) musi mieć jedną z
końcówek wspólną dla sygnału wejściowego i wyjściowego. Daje to 3! możliwych kombinacji, jednak aby uzyskiwać
wzmocnienie mocy (jedna z zasadniczych właściwości tranzystora) jest konieczne by baza była jedną z końcówek wejściowych a kolektor jedną z wyjściowych, co ogranicza ilość urzytecznych kombinacji do trzech. Są to układy:
C
B
B
WY
WE
WY
WE
E
Wspólny emiter
E
E
C
WY
WE
B
C
Wspólna baza
Wspólny kolektor
Rys.4. Układy pracy tranzystora bipolarnego.
I
Prądy zerowe:
ICEZ = ICEO dla R=∞
ICES dla R=0
ICER dla0<R<∞
WE
ICEZ
+
ICBO
WY
IEBO
ICBO
ICES
+
-
R
ICEO
ICER
WE
WY -
+
- WE
WY
U
UCEOmax UCBOmax
Rys.5. Układy pomiarowe prądów zerowych. Pomiędzy prądami zerowymi zachodzi relacja: ICEO>ICER>ICES>ICBO
b
ib
h11e
c
h12euce
ube
h22e uce
h21eib
e
u
h11e = 1
i
1 u =0
2
h21e =
i
2
i
1 u =0
2
e
u
Impedancja (rezystancja) wejściowa. h12e = 1
u
Współczynnik wzmocnienia prądowego.
Współczynnik oddziaływania zwrotnego.
2 i =0
1
h22e =
i
2
Admitancja (konduktancja) wyjściowa.
u
2 i =0
1
Rys.6. Schemat zastępczy z oznaczeniami dla układu WE i definicje parametrów typu h tranzystora.
C) POMIARY
2
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr4
F1 2002/2003 sem. letni
Uwagi:
1. Pomiary wykonać dla tranzystora i układu pracy wskazanego przez prowadzącego.
2. Wartości parametrów przy pomiarach charakterystyk należy uzgadniać z prowadzącym zajęcia.
3. Podczas pomiarów zwracać uwagę na utrzymywanie stałej wartości parametrów.
4. Pomiary przeprowadzić w możliwie szerokim zakresie dopuszczalnychwartości prądów i napięć.
5 Na zajęcia przygotować swój własny plan pomiarów wraz z odpowiednimi tabelami.
1. Określić typ (npn albo pnp) oraz sposób wyprowadzeń końcówek tranzystora przy pomocy testera złącz.
Zmierzyć charakterystyki prądowo-napięciowe złącz BE i BC w obu kierunkach, uwzględniając ich dopuszczalne parametry.
Układ wspólnego emitera
2. Zestawić układ pomiarowy do zbadania charakterystyk statycznych tranzystora pracującego w układzie WE.
3. Zmierzyć charakterystyki: wejściową UBE (IB)UCE =par. , przejściową IC (IB)UCE= par. Charakterystyki te
można wyznaczyć jednocześnie, zmieniając prąd wejściowy IB i mierząc równocześnie napięcie wejściowe
UBE oraz prąd wyjściowy IC. Pomiary wykonać dla trzech wartości parametru UCE
4. Zmierzyć charakterystyki: wyjściową IC(UCE )IB =par., oddziaływania zwrotnego UBE(UCE)IB = par..
Charakterystyki te można wyznaczyć jednocześnie, zmieniając napięcie wyjściowe UCE i mierząc równocześnie prąd wyjściowy IC oraz napięcie wejściowe UBE. Pomiary wykonać dla trzech wartości parametru IB ..
Ze szczególną uwagą należy wykonać pomiary w zakresie nasycenia.
Układ wspólnej bazy
5. Zestawić układ pomiarowy do zbadania charakterystyk statycznych tranzystora pracującego w układzie WB.
6. Zmierzyć charakterystyki: wejściową UBE(IB)UCB = par. oraz przejściową IC(IE)UCB = par.. Charakterystyki te
można wyznaczyć jednocześnie, zmieniając prąd wejściowy IE i mierząc równocześnie napięcie wejściowe
UBE oraz prąd wyjściowy IC. Pomiary wykonać dla trzech wartości parametru UCB
7. Zmierzyć charakterystyki: wyjściową IC(UCB)IE = par., oddziaływania zwrotnego UBE(UCB)IE = par. w zakresie aktywnym. Można je wyznaczyć jednocześnie, zmieniając napięcie wyjściowe UCB i mierząc równocześnie prąd wyjściowy IC oraz napięcie wejściowe UBE .. Po wyznaczeniu charakterystyk w obszarze pracy aktywnej zmierzyć charakterystyki wyjściowe w zakresie nasycenia (po zmianie polaryzacji złącza kolektorowego).
Charakterystyki prądów zerowych
8. Zmierzyć charakterystyki ICER(UCE) dla R=0, 0<R<∞ oraz R=∞ zgodnie ze schematem na rys.2.
9. Zmierzyć charakterystykę ICB0(UCE) przekształcając odpowiednio schemat na rys.2.
10. Powtórzyć pomiary wg pkt. 9 i 10 dla tranzystora komplementarnego.
D) SCHEMATY POMIAROWE
3
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr4
F1 2002/2003 sem. letni
a) WE, tranzystor npn
+
ZASILACZ
−
mA
mA
+
ZASILACZ
−
mA
+
ZASILACZ
−
mA
−
ZASILACZ
+
mA
−
ZASILACZ
+
V
V
b) WB, tranzystor pnp
−
ZASILACZ
+
mA
V
V
c) WE, tranzystor pnp
−
ZASILACZ
+
mA
V
V
d) WB, tranzystor pnp
+
ZASILACZ
−
mA
V
V
RYS.1 Schematy pomiarowe dla układów wspólnego emitera (WE) i wspólnej bazy (WB).
mA
R
V
+
ZASILACZ
−
RYS.2 Schemat układu do pomiaru prądów ICER dla tranzystora npn.
4
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr4
F1 2002/2003 sem. letni
E Parametry katalogowe wybranych tranzystorów.
UCEmax
[V]
ICEmax
[A]
IBmax
[A]
UCBmax
[V]
UEBmax
[V]
BDP281 30
7
3
40
5
30
7
3
40
5
BDP282
BD 135 45
0.5
0.1
45
5
BD 136
45
0.5
0.1
45
5
BC 211
BC 313
40
40
1
1
0.1
0.1
80
80
5
5
Ptot [W]
40przy
tc=25 0C
40 przy
tc=25 0C
6.5przy
tc=40 0C
6.5przy
tc=40 0C
4.25
4.25
tjmax
[C]
UCESAT
[V]
150
1
150
1
125
0.5
125
0.5
175
175
1
1
h21E
25200
25200
40250
40250
6-250
6-250
fT
Rthj-c TYP
[Mhz] [C/W
]
4
200
3.12 npn
5
3.12 pnp
5
10
npn
150
10
pnp
50
50
35
35
npn
pnp
10
E) OPRACOWANIE I ANALIZA WYNIKÓW:
1. Narysować (wydrukować) wszystkie zmierzone charakterystyki.
2. Na podstawie charakterystyk złącza BE, BC narysowanych w skali logarytmiczno-liniowej i wyznaczyć
współczynniki złącza oraz „prądy zerowe” (patrz instrukcja do ćwiczenia „diody półprzewodnikowe”).
3. Wyznaczyć parametry schematu zastępczego: a) z parametrami mieszanymi typu h b) hybryd π, ,.dla tego samego punktu pracy tranzystora. Porównać wartości pomiarowe z obliczonymi teoretycznie. Każdy
student wykonuje obliczenia dla swojego wybranego punktu pracy.
4. Narysować na jednym wykresie charakterystyki prądów zerowych. Sprawdzić teoretyczną zależność pomiędzy ICE0 oraz ICB0.
5. Porównać uzyskane wyniki z danymi katalogowymi.
6. Dokonać kompleksowej analizy uzyskanych wyników.
Literatura:
1.
W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”
2.
W. Marciniak „Modele elementów półprzewodników”
3.
A.Kusy „Podstawy elektroniki”
4.
„Elementy półprzewodnikowe i układy scalone” (katalog UNITRA – CEMI)
5.
Gray P.E.,Searle C.L.- „Podstawy elektroniki
6.
Praca zbiorowa - „Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych”.
5