Ćwiczenie3

LABORATORIUM ELEKTRONIKI
ĆWICZENIE 3
CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE
TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
KATEDRA SYSTEMÓW MIKROELEKTRONICZNYCH
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi charakterystykami statycznymi
oraz z najwaŜniejszymi parametrami i modelami tranzystora bipolarnego npn pracującego w
konfiguracji wspólnego emitera.
2. WPROWADZENIE
2.1. Typy i zasada działania tranzystora
Tranzystor bipolarny jest elementem trójzaciskowym (trójelektrodowym), w którym
występują trzy obszary półprzewodnika o przemiennych typach przewodnictwa. Obszary te
noszą nazwy emitera, bazy i kolektora i tworzą dwa złącza p-n połoŜone blisko siebie. Złącze
emiterowe stanowią obszary emitera i bazy, zaś złącze kolektorowe obszary kolektora i bazy.
Przemienność domieszkowania oznacza, Ŝe obszar środkowy – baza moŜe być typu n, a
pozostałe obszary typu p i wtedy mamy do czynienia z tranzystorem pnp lub baza moŜe być
typu p i wówczas mamy tranzystor npn. Te oba typy tranzystorów wraz z ich symbolami
graficznymi pokazano na Rys. 1.
Rys. 1. Oznaczenia tranzystorów bipolarnych pnp oraz npn
Tranzystor spełnia wiele róŜnych funkcji w układach elektronicznych, z których
najwaŜniejszą jest wzmacnianie sygnałów. Ta podstawowa funkcja jest wynikiem
wzajemnego oddziaływania dwóch złączy pn, dzięki istnieniu warstwy bazy, wspólnej dla
obu złączy. Aby tranzystor działał jako wzmacniacz, konieczna jest odpowiednia polaryzacja
jego złączy, tj. złącza emiterowego w kierunku przewodzenia, a złącza kolektorowego w
kierunku zaporowym. Wzmocnienie mocy sygnału dawane przez tranzystor (jako element
aktywny) jest uzyskiwane kosztem mocy dostarczanej ze Ŝródeł zasilania (polaryzacji
stałoprądowej), a łączna sprawność energetyczna jest oczywiście mniejsza od jedności.
W przypadku tranzystora npn pracującego w zakresie aktywnym normalnym,
spolaryzowane przewodząco złącze emiterowe wstrzykuje do bazy nadmiarowe elektrony, te
przemieszczają się w stronę złącza kolektorowego spolaryzowanego zaporowo i po przejściu
przez warstwę zaporową wciągane są przez silne pole elektryczne do obwodu kolektora
tworząc prąd kolektorowy. Baza jest więc pewną „linią transmisyjną”, przez którą płyną
nośniki. Aby ten przepływ był związany z moŜliwie małymi stratami na rekombinację, obszar
bazy powinien być „krótki” w sensie uŜywanym dla złącza pn. Ponadto w bazie tranzystora
epiplanarnego istnieje tzw. wbudowane pole elektryczne spowodowane nierównomiernym
rozkładem koncentracji domieszek przeciwdziałające dyfuzji dziur i przyspieszające ruch
elektronów. Strumień elektronów odbieranych przez kolektor jest prawie równy strumieniowi
elektronów wstrzykiwanych przea emiter, czyli prąd kolektora nie zaleŜy w zasadzie od
napięcia U CE , lecz jest wyłącznie funkcją napięcia U EB .
2.2. Zakresy pracy i układy włączenia tranzystora
Zakresy (obszary) pracy tranzystora są określone przez polaryzację jego złącz:
a) aktywny normalny: złącze emiterowe spolaryzowane przewodząco, zaś kolektorowe –
zaporowo,
b) nasycenia, w którym oba złącza są spolaryzowane przewodząco,
c) odcięcia, w którym oba złącza są spolaryzowane zaporowo,
d) aktywny inwersyjny: złącze kolektorowe jest spolaryzowane przewodząco, zaś emiterowe
– zaporowo.
Znaki poszczególnych napięć są jednoznacznie określone przez typ tranzystora – pnp lub npn.
Oznaczenia prądów i napięć stosowane dalej podano na Rys. 2.
Rys. 2. Oznaczenia prądów i napięć w tranzystorze
Rys. 3. Konfiguracje tranzystora: a) wspólna baza, b) wspólny emiter, c) wspólny kolektor
Konfiguracje tranzystora jednoznacznie definiują sposób połączenia jego końcówek z
układami zewnętrznymi: wejściowym (sterującym) i wyjściowym (sterowanym). W nazwie
konfiguracji jest informacja o końcówce wspólnej dla wejścia i wyjścia. Poszczególne
konfiguracje: o wspólnym emiterze (WE), bazie (WB) i kolektorze (WK) pokazano na Rys. 3.
Są to trzy wykorzystywane konfiguracje spośród sześciu moŜliwych. Układy te róŜnią się
istotnie właściwościami, tj. wzmocnieniami prądu, napięcia i mocy oraz rezystancjami
wejściową i wyjściową. Na przykład wzmocnienie prądowe ki dla poszczególnych układów
włączenia ma następującą postać:
ki = α = ∆I C / ∆I E (ok. 0.99-0.999) dla układu WB,
ki = β = ∆I C / ∆I B (ok. 100-1000) dla układu WE,
ki = α = ∆I E / ∆I B = ( ∆I C + ∆I B ) / ∆I B = β + 1 dla układu WC.
gdzie:
α – zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla konfiguracji WB,
β – zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla konfiguracji WE.
2.3. Charakterystyki statyczne tranzystora
Stan statyczny (punkt pracy) tranzystora jest opisany czterema wielkościami, tj. prądem i
napięciem wejściowym oraz prądem i napięciem wyjściowym. Związki między tymi
wielkościami są nazywane charakteryustykami statycznymi. Charakterystyki te tworzy się w
ten sposób, Ŝe jedną z czterech wymienionych wielkości traktuje się jako wielkość zaleŜną, a
dwie inne jako wielkości niezaleŜne przy niekontrolowanej wielkości czwartej. W
pojedyńczej charakterystyce jedna z wielkości niezaleŜnych jest traktowana jako parametr.
Dla konfiguracji wspólnego emitera najdogodniejszy jest układ czterech rodzin
charakterystyk statycznych (dotyczy połączenia normalnego):
•
•
•
•
Charakterystyki wejściowe IB(UBE) przy UCE=const,
Charakterystyki wyjściowe IC(UCE) przy IB=const,
Charakterystyki przejściowe prądowe IC(IB) przy UCE=const,
Charakterystyki zwrotne napięciowe UBE(UCE) przy IB=const.
Warto dodać, Ŝe pomiar dwóch pierwszych rodzin charakterystyk statycznych pozwala na
„odtworzenie” dwóch pozostałych. Dlatego w katalogach są najczęściej podawane te dwie
charakterystyki.
Na Rys. 4-7 pokazano róŜne rodziny charakterystyk statycznych rzeczywistego
typowego tranzystora bipolarnego małej mocy pracującego w konfiguracji WE, zaznaczając
na osiach wartości prądów i napięć odpowiadających typowemu tranzystorowi małej mocy.
Rys. 4. Wejściowe charakterystyki statyczne iB ( uBE ) tranzystora bipolarnego małej mocy
Rys. 4 przedstawia rodzinę charakterystyk wejściowych iB ( uBE ) przy ustalonej
wartości napięcia wyjściowego uCE . Jak widać, wpływ tego parametru jest niewielki i często
moŜna zamiast rodziny charakterystyk posługiwać się jedną krzywą opisywaną równaniem:
gdzie I BS


u
iB ( uBE ) = I BS ⋅  exp BE − 1 ,
VT


jest prądem nasycenia złącza emiterowego I ES pomniejszonym o ( β + 1) .
Nie pokazano dokładnie przebiegu charakterystyk w zakresie małych napięć wejściowych.
(1)
Na Rys. 5 pokazano charakterystyki wyjściowe iC ( uCE ) przy stałym prądzie bazy iB .
Krzywą przerywaną zaznaczono granicę między zakresem nasycenia i aktywnym normalnym.
W zakresie nasycenia prąd iC silnie zaleŜy od napięcia uCE i słabo od prądu bazy iB . Napięcie
wyjściowe jest niewielkie (do 1 V). W zakresie aktywnym charakterystyki są w prawie
jednakowych od siebie odstępach, o skończonym nachyleniu względem osi napięć,
wynikającym z efektu Early'ego. Powoduje on, Ŝe charakterystyki wyjściowe po przedłuŜeniu
przecinają oś napięć w punkcie U CE = −U E (patrz Rys. 6).
Rys. 5. Wyjściowe charakterystyki statyczne iC ( uCE ) tranzystora bipolarnego małej mocy
iC
-UE
uCE
Rys. 6. Wpływ zjawiska Early’ego na charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego
Na Rys. 7 pokazano charakterystyki przenoszenia prądowego iC ( iB ) przy napięciu
wyjściowym uCE traktowanym jako parametr. Charakterystyki te łatwo odtworzyć z rodziny
charakterystyk wyjściowych z Rys. 5. Nachylenie tych charakterystyk jest określone przez
współczynnik β . Nachylenie to dla danego uCE jest w szerokich granicach zmian iC prawie
stałe – jego niewielkie zmiany są związane z wpływem prądu kolektora na β przy duŜych i
małych gęstościach prądu. Tak więc dla tranzystora idealnego (bez uwzględnienia efektu
Early'ego) zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego β dla składowej stałej
przyjmuje stałą wartość, niezaleŜną od punktu pracy definiowaną dla zakresu aktywnego
normalnego w następujący sposób:
β=
iC
iB
.
uCB = 0
Warunek U CB = 0 zapewnia, Ŝe prąd zerowy kolektora I CE 0 jest równy 0.
(2)
Rys. 7. Statyczne charakterystyki przenoszenia iC ( iB ) tranzystora bipolarnego małej mocy
Dla ustalonej wartości iC większym wartościom napięcia uCE odpowiada większe β .
Jest to wpływ modulacji napięciowej szerokości bazy, bowiem przy większym uCE baza jest
cieńsza i wtedy zarówno współczynnik transportu jak i sprawność wstrzykiwania rosną. Przy
przyjętej skali nie widać skończonej wartości prądu kolektora dla iB = 0 , czyli prądu I CE 0 .
Jego wartość, rzędu nanoamperów, powoduje, Ŝe omawiane charakterystyki w skali liniowoliniowej, jak na Rys. 7, przechodzą praktycznie przez początek układu współrzędnych
( I CE 0 = 0 ). Charakterystyki te moŜna opisać równaniem:
 u 
iC = I CE 0 + β ⋅ iB ⋅ 1 + CE 
 UE 
(3)
gdzie parametr U E jest napięciem Early'ego.
Rys. 8. ZaleŜność β ( iC ) tranzystora bipolarnego małej mocy
Na Rys. 8 naszkicowano zaleŜność współczynnika β od stałego prądu kolektora. Widać,
Ŝe w zakresie średnich prądów występuje płaskie maksimum zaleŜności β ( iC ) , w zakresie
duŜych i małych prądów β przyjmuje mniejsze wartości. Na osiach podano orientacyjne
wartości zmiennych, odpowiadające wcześniej omawianemu tranzystorowi małej mocy.
3. ZADANIA
3.1. Pomiary charakterystyk wyjściowych.
W układzie przedstawionym na Rys. 9 zmierzyć i wykreślić rodzinę charakterystyk
wyjściowych I C (U CE ) przy I B = const tranzystora (w układzie wspólnego emitera) dla
I B = 10,15, 20, 25 µ A .
Rys. 9. Układ do pomiaru charakterystyk wyjściowych tranzystora w połączeniu normalnym
3.2. Pomiary charakterystyki wejściowej i przejściowej w układzie WE
W układzie przedstawionym na Rys. 10 pomierzyć jednocześnie (dla tych samych wartości
U BE ) charakterystykę wejściową I B = f (U BE ) i charakterystykę przejściową I C = f (U BE ) .
Rys. 10. Układ do pomiaru charakterystyki wejściowej I B = f (U BE ) i przejściowej I C = f (U BE ) przy
U CE = const
Sporządzić następujące wykresy:
1.
I C = f (U BE ) oraz I B = f (U BE ) przy U CE = const w skali liniowo-liniowej,
2.
3.
β N = f ( I C ) : BN w skali liniowej, I C w skali logarytmicznej,
I C = f (U BE ) : I C w skali logarytmicznej, U BE w skali liniowej.
Na podstawie wykresu I C = f (U BE ) określić prąd I SN oraz współczynnik nE .