tranzystor bipolarny – charakterystyki statyczne oraz praca w

POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
INSTRUKCJA NR4, 2008
TRANZYSTOR BI POL ARNY – CHARAK TERYSTYK I
STATYCZNE ORAZ PRACA W UK L ADZI E WZM ACNI ACZA
Cel cwiczenia: Pomiar i analiza charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego npn lub pnp pracujacego w ukladach wspólnego emitera (WE) lub wspólnej bazy (WB). Zapoznanie studentów z mozliwosciami pr acy
tranzystora jako wzmacniacza malych sygnalów.
A) Zadania do samodzielnego opr acowania pr zed zaj eciami: Zapoznanie sie z trescia ponizszej instrukcji. Zapoznanie sie z teoretyc znymi podstawami dzialania tranzystora bipolarnego. Przygotowanie - narysowanie schematów ukladów do pomiaru charakterystyk statyc znych. Przemyslenie sposobu pomiaru charakterystyki przejsciowej i czestotliwosciowej wzmacniacza jednotranzystorowego w ukladzie
wspólnego emitera. Zapoznanie sie z definicjami parametrów modelu hybrydowego tranzystora. Wyjasnic role poszczególnych elementów w
ukladzie wzmacniacza jednotranzystorowego z rys. 8).
B) WPROWADZENI E
+
+
+
W tranzystorze n-p-n zlacze n -p jest nazywane zlaczem emiterowym (sterujacym), a obszar n emiterem (+ oznacza silne domiesz+
kowanie danego obszaru). Zadaniem emitera jest wstrzykiwanie elektronów do obszaru p zwanego baza. W bazie elektrony stanowia nosniki mniejszosciowe, i wiekszosc z nich uczestniczy w pradzie zaporowym drugiego zlacza nazywanego zlaczem k olek tor owym. Obszar n
tego zlacza nazywa sie kolektorem.
_
_
+
+
UCE
B
UBE
IB
RE
n++
RC
n+
p+
emiter
Wb
E
a)
n
5
4
3
n
IC
IE
1 p
C
+
2
kolektor
b)
baza
Rys. 1 Idea budowy tranzystora n-p-n, (uklad WB), a) polaryzacja dla ukladu WE w stanie aktywnym normalnym; b) rozplyw pradów tran-
zystorze:
1-ulamek liczby elektronów ulegajacych rekombinacji w bazie
2- elektrony wstrzykniete do bazy i osiagajace obszar kolektora
3-nosniki generowane termicznie - zaporowy prad zlacza kolektora
4-dziury dostarczane przez koncówke bazy rekombinujace z elektronami
5-dziury dyfundujace z bazy do emitera
I C [mA]
U CE = 10 V
h21e
IB= 30 µA
h22e
5
IB= 20 µA
U CE = 5V
IC
ICmax
IB= 10 µA
I B [µ A]
IB= 0 µA
10
0
5
U C E [V]
IB= 5 µA
IB= 20 µA
U CE = 10V
a)
h11e
0.8
U E B [V]
h12e
N
A
IB= 1 µA
U CE = 5V
U CB= 0
ICEO
b)
S
Y
C
E
N
I
IB= 30 µA
Ptot
IB= 20 µA
Obszar dozwolony
IB= 10 µA
IB= 0 µA
ODCI ECI E
U CEmax
U CEOmax
UCE
Rys. 2 a) Rodzina ch-styk dla ukladu WE; b) dozwolony obszar pracy aktywnej tranzystora: Pto t - dopuszczalna moc admisyjna; ICma x - maksymalny prad kolektora; UCEma x - dopuszczalne napiecie kolektor-emiter (typowo 0.8x UCEO); ICEO - prad zerowy kolektora (granica pomie-
dzy odcieciem a zakresem aktywnym); UCEs a t - napiecie nasycenia - rozgranicza obszar nasycenia od aktywnego normalnego.
1
Tranzystor jest elementem dwuzlaczowym, istnieja 4 rózne kombinacje znaków napiec polaryzujacych zlacza okreslajace jego stany pracy.
„+” UBC
AKTYWNY
INWERSYJNY
NASYCENIA
ZAPOROWY/
ZATKANIE
AKTYWNY
NORMALNY
„+” polaryzacja w stan przewodzenia
„ -”
UBE
„+”
„-” polaryzacja w stanie zaporowym
„ -”
Rys. 3 Stany pracy tranzystora bipolarnego.
Tranzystor jako element trójkoncówkowy, musi miec jedna z koncówek wspólna dla sygnalu wejsciowego i wyjsciowego. Daje to
3! mozliwych kombinacji, aby uzyskac wzmocnienie mocy (jedna z zasadniczych zalet tranzystora) jest konieczne by baza byla j edna z
koncówek wejsciowych a kolektor jedna z wyjsciowych. Ogranicza to ilosc uzytecznych kombinacji do trzech.
C
E
E
B
B
WY
WE
WY
WE
E
C
WY
WE
B
C
W spólna baza
W spólny emiter
W spólny ko lekto r
Rys. 4 Uklady pracy tranzystora bipolarnego.
Prady zerowe: Przy polaryzacji zaporowej któregokolwiek ze zlacz tranzystora plyna przez to zlacze prady wsteczne okreslane czesto w tym
przypadku pradami zerowymi. Najwieksze wartosci osiaga prad zerowy pomiedzy zaciskami kolektora i emitera ICEO (zaporowo spolaryzowane zlacze BC) przy rozwartym zacisku bazy.
I
ICEZ = ICEO dla R= ∞
ICES dla R= 0
ICER dla0 < R< ∞
WE
R
ICEZ
+
-
ICEO
ICER
ICBO
ICES
+
WE
ICBO
WY
UCEOmax UCBOmax
IEB
+
WY -
- WE
WY
U
Rys. 5 Uklady pomiarowe pradów zerowych. Pomiedzy wartosciami pradów zachodzi relacja: ICEO>ICER >ICES >ICBO.
Przebicie tr anzystor a: Dla zlacza kolektorowego okreslane jest napiecie przebicia UCBO przy rozwartym emiterze (rzedu co najmniej kilkudziesieciu woltów - przebicie o charakterze lawinowym z uwagi na slabsze domieszkowanie obszaru kolektora). Dla zlacza emiterowego
okreslane jest napiecie przebicia UBEO przy rozwartym kolektorze (przebicie o charakterze Zenera – emiter silnie domieszkowany, napiecie
przebicia ponizej 7 V). W tranzystorze moze tez wystapic zjawisko tzw. przebicia skrosnego – zanim natezenie pola eklektycznego w warstwie zaporowej osiagnie wartosc krytyczna caly obszar neutralny bazy moze zostac zajety przez warstwe zaporowa zlacza BC. Innym efektem jest tzw. przebicie wtórne zwiazane z przeplywem przez strukture zbyt duzego pradu.
Praca tranzystora w ukladzie wzmacniacza WE
i1
u1
i2
Tranzystor jako
czwórnik liniowy
u2
u
h 11 = 1
Impedancja wejsciowa
i
1 u =0
2
u
h 12 = 1
wspólczynnik oddzialywania zwrotnego
u
2 i =0
1
i
h 21 = 2
Wspólczynnik wzmocnienia pradowego
i
1 u =0
2
2
i
h 22 = 2
Admitancja wyjsciowa
u
2 i =0
1
Rys. 6 Tranzystor jako czwórnik.
Równania czwórnikowe mozna przedstawic za pomoca równowaznej sieci elektrycznej:
ib
B
Indeks przy symbolu h oznacza:
ic C
h 11 e
h 12e u ce
ube
b - uklad WB
e - uklad WE
c - uklad WC
E
uce
h 22 e
h 21e ib
E
Rys. 7. Siec elektryczna równowazna równaniom hybrydowym dla ukladu WE. W artosci parametrów zaleza od ukladu wlaczenia tranzystora, rodzaj ukladu wlaczenia oznaczany jest dodatkowym trzecim indeksem literowym. Wartosci parametrów w poszczególnych ukladach
wlaczenia mozna wzajemnie przeliczac na podstawie zaleznosci dostepnych w literaturze.
i
Poniewaz:
h 22e =
u
DI
c
»
ce i = 0
b
u
DU
BE
h11e = be
»
i
DI
b uce= 0
B U
DU
CE
i
DI
h 21e = c
» C
i
DI
b uce= 0
B U
C
CE I
B
= const
= const
ce
= const
u
DU
BE
h 12e = be
»
u
DU
ce i =0
CE I = const
b
B
Dysponujac zmierzonymi charakterystykami statycznymi tranzystora mozna latwo te parametry wyznaczyc (Rys. 2)
Jest to duza zaleta modelu hybrydowego.
Przykladowe wartosci przyjmowane przez parametry czwórnikowe typu h, oraz przyblizone relacje pomiedzy parametrami typu h i parame-
trami innego popularnego modelu – modelu typu hybryd π podaja tabelki:
h11e = 1kΩ
h12e = 10-4 V/V
h21e =50-500A/A
h22e = 10-4 - 10-5 S
h11e = rbb’ + rb’e ≈ rb’e
h12e = β (gb’c /gm)
h21e ≈ β
h22e ≈ gce
Te i inne, równowazne modele znajduja zastosowanie podczas analizy ukladów pracy z tranzystorami bipolarnymi, na przyklad ukladu
wzmacniacza malych sygnalów:
UCC = 5 V
a)
R1 = 330k
R c = 1k
WE
WE
Tranzystor
b ad any
RC
C2 WY
WY
R b = 10 k
+ 15V
b)
R b = 10 k
T1
C 1 = 1,5 µF
R0 =
100k
e g(t)
R2 = 100k
C E = 2 2 0 µF
R E = 3 ,3 k
Rys. 8 Tranzystor bipolarny npn w ukladzie wzmacniacza WE. a) uklad inwertera do pomiaru charakterystyki przejsciowej, b)
wzmacniacz jednotranzystorowy.
3
C) POM I ARY
1. Pomiary wykonac dla j ednego t r anzyst or a i ukladu pr acy wskazanego pr zez pr owadzacego.
2. Podczas pomiarów zwracac uwage na utrzymywanie st alej war t osci par amet r ów .
3. Pomiary przeprowadzic w mozliwie szerokim zakresie dopuszczalnych pradów i napiec, w razie watpliwosci wartosci te nalezy uzgadniac z prowadzacym zajecia.
4. Na kazda krzywa powinno przypadac nie mniej niz 15 punktów pomiarowych.
1. Okreslic typ (npn - pnp) oraz rozklad wyprowadzen koncówek tranzystora przy pomocy testera zlacz.
Uklad wspólnego emitera
2. Zestawic uklad pomiarowy do zbadania charakterystyk statycznych tranzystora pracujacego w ukladzie WE.
3. Zmierzyc charakterystyki: wejsciowa U BE (I B)U CE=const , przejsciowa I C (I B)U CE=const. Charakterystyki te
mozna wyznaczyc jednoczesnie, zmieniajac prad wejsciowy I B i mierzac równoczesnie napiecie wejsciowe
U BE oraz prad wyjsciowy I C. Pomiary wykonac dla trzech wartosci parametru U CE . Zmierzyc charakter ystyki: wyjsciowa I C(U CE)I B= const, oddzialywania zwrotnego U BE(U CE)I B= const. Charakterystyki te mozn a
wyznaczyc jednoczesnie, zmieniajac napiecie wyjsciowe U CE i mierzac równoczesnie prad wyjsciowy I C oraz
napiecie wejsciowe U BE. Pomiary wykonac dla trzech wartosci parametru I B . Ze szczególna uwaga nalezy
wykonac pomiary w zakresie nasycenia.
Uklad wspólnej bazy
4. Zestawic uklad pomiarowy do zbadania charakterystyk statycznych tranzystora pracujacego w ukladzie WB.
5. Zmierzyc charakterystyki: wejsciowa U BE(I E)U CB=const. oraz przejsciowa I C(I E)U CB =const . Charakterystyki te
mozna wyznaczyc jednoczesnie, zmieniajac prad wejsciowy I E i mierzac równoczesnie napiecie wejsciowe
U BE oraz prad wyjsciowy I C. Pomiary wykonac dla trzech wartosci parametru U CB.
6. Zmierzyc charakterystyki: wyjsciowa I C(U CB)I E=const oraz oddzialywania zwrotnego U BE(U CB)I E=const w
zakresie aktywnym. Mozna je wyznaczyc jednoczesnie, zmieniajac napiecie wyjsciowe U CB i mierzac równ oczesnie prad wyjsciowy I C oraz napiecie wejsciowe U BE . Po wyznaczeniu charakterystyk wyjsciowych w
obszarze pracy aktywnej zmierzyc te charakterystyki w zakresie nasycenia (po zmianie polaryzacji zlacza k olektorowego).
Charakterystyki pradów zerowych, wyznaczenie napiecia przebicia zlacz
7. Zmierzyc charakterystyki pradowo -napieciowe zlacz BE i BC w obu kierunkach. Odpowiednio dokladne p omiary powinny umozliwic wyznaczenie charakterystyk pradów ICB0(UCE) oraz I EB0(UBE), a takze co najmniej
jednego z napiec przebicia zlacz. W trakcie pomiarów nalezy pamietac o zabezpieczeniu ukladów badanych za
pomoca odpowiednio dobranego rezystora dekadowego.
8. Zmierzyc charakterystyki ICER(UCE) dla przypadków R=0, 0<R<∞ oraz R=∞ dla wybranego typu tranzystora.
Wyznaczenie charakterystyki czestotliwosciowej i czestotliwosci granicznych wzmacniacza tranzystorowego w ukladzie WE
9. W oparciu o dostepne w laboratorium podstawki zestawic uklad pomiarowy do pomiaru charakterystyki
przejsciowej Uwy = f(Uwe) wzmacniacza w ukladzie wspólnego emitera (rys. 8a). Pomiary przeprowadzic zasilajac wejscie i wyjscie ukladu z zasilaczy stabilizowanych metoda „punkt po punkcie”.
10. W oparciu o schemat przedstawiony na rys. 8b) zestawic uklad pomiarowy do pomiaru charakterystyki amplitudowej k u = f(f) wzmacniacza w ukladzie wspólnego emitera. Pomiary wykonac dla wartosci pojemnosci
C2 i rezystancji RC podanych przez prowadzacego. Pomiary ponowic przy podwojonej wartosci C2 i rezystancji RC o polowe mniejszej niz podane poprzednio. Pomiary czestotliwosci wykonywac nalezy czestosciomierzem a amplitudy sygnalów wejsciowego i wyjsciowego za pomoca oscyloskopu.
4
D) SCHEM ATY POM I AROWE
mA
a) Uklad WE, tranzystor npn
+
ZASILACZ
−
mA
b) Uklad WB, tranzystor pnp
−
ZASILACZ
+
mA
c) Uklad WE, tranzystor pnp
−
ZASILACZ
+
mA
d) Uklad WB, tranzystor pnp
+
ZASILACZ
−
mA
+
ZASILACZ
−
mA
+
ZASILACZ
−
mA
−
ZASILACZ
+
mA
−
ZASILACZ
+
V
V
V
V
V
V
V
V
mA
V
R
+
ZASILACZ
−
e) ukladu do pomiaru pradów ICER (tranzystor npn).
E) Parametry katalogowe przykladowych typów tranzystorów.
Jezeli pomiary w laboratorium dotycza innych typów
tranzystorów – ich dane nalezy odszukac samodzielnie w katalogu elementów pólprzewodnikowych.
UCEmax
[V]
BDP281
BDP282
BD 135
BD 136
BC 211
BC 313
30
30
45
45
40
40
ICEmax
[A]
7
7
0.5
0.5
1
1
IBmax
[A]
3
3
0.1
0.1
0.1
0.1
UCBmax
[V]
40
40
45
45
80
80
UEBma
[V]
5
5
5
5
5
5
Ptot [W]
40 tc =25 0C
40 tc =25 0C
6.5tc =40 0C
6.5tc =40 0C
4.25
4.25
tjmax
[C]
150
150
125
125
175
175
UCESAT
[V]
1
1
0.5
0.5
1
1
h21E
fT
Rthj-c TYP
[Mhz] [C/W]
25-200 4
25-200 10
40-250 200
40-250 150
6-250 50
6-250 50
3.1
3.1
10
10
35
35
npn
pnp
npn
pnp
npn
pnp
F) OPRACOWANIE I ANALIZA WYNIKÓW :
1. Narysowac (wydrukowac) wszystkie zmierzone charakterystyki.
2. Na podstawie charakterystyk zlacz BE, BC narysowanych w skali logarytmiczno -liniowej i wyznaczyc wspólczynniki
zlacza oraz „prady zerowe” i rezystancje szeregowa.
3. Na podstawie charakterystyk statycznych wyznaczyc parametry schematu zastepczego z parametrami mieszanymi typu
h dla wybranego punktu pracy tranzystora.
4. Narysowac charakterystyki pradów zerowych. Sprawdzic teoretyczna zaleznosc pomiedzy ICE0 oraz ICB0.
5. Porównac uzyskane wyniki z danymi katalogowymi.
6. Skomentowac charakterystyki przejsciowe i czestotliwosciowe wzmacniacza. Wyznaczyc czestotliwosci graniczne.
7. Dokonac kompleksowej analizy uzyskanych wyników.
5
Literatura pomocnicza:
1.
2.
3.
4.
5.
W. Marciniak „Przyrzady pólprzewodnikowe i uklady scalone”
W. Marciniak „Modele elementów pólprzewodników”
A. Kusy „Podstawy elektroniki”
Gray P.E.,Searle C.L.- „Podstawy elektroniki
Kolodziejski J. Spiralski L. Stolarski E. „Pomiary przyrzadów pólprzewodnikowych”
6