Ćwiczenie 2 Parametry statyczne tranzystorów bipolarnych

Ćwiczenie 2
Parametry statyczne tranzystorów bipolarnych
Cel ćwiczenia
Podstawowym( celem( ćwiczenia( jest( poznanie( statycznych( charakterystyk( tranzystorów( bipolarnych(
oraz( metod( identyfikacji( parametrów( odpowiadających( im( modeli( małosygnałowych’( Aby( umożliwić
zapoznanie(się z(wpływem(efektów(termicznych(na(warunki(pracy(tranzystorów(przewidziano(pomiar(
charakterystyk( w( warunkach( izotermicznych( oraz( w( warunkach( występowania( efektu(
samonagrzewania’(
Wiadomości podstawowe
Budowa(i(zasada(działania(tranzystora(bipolarnego(
Tranzystor( jest( strukturą trzywarstwową o( trzech( elektrodach( zewnętrznych:( emiterze( WENZ( bazie( WBN(
i(kolektorze(WCN’(Jak(pokazano(na(rys’1(może(to(być struktura(typu(p–n–p(lub(n–p–nZ(przy(czym(zawsze(
obszar( emitera( jest( w( niej( domieszkowany( silniej( niż bazaZ( a( obszar( kolektora( słabiej’( Ta( asymetria(
wynika(z(przeznaczenia(każdej(z(tych(warstw(i(powodujeZ(że(mimo(iż emiter(i(kolektor(są tego(samego(
typu(sposób(włączenia(tranzystora(w(obwód(elektryczny(nie(jest(obojętny’(W(normalnych(warunkach(
pracy( złącze( baza–emiter( jest( polaryzowane( w( kierunku( przewodzeniaZ( złącze( baza–kolektor( w(
kierunku(zaporowym’(
N
P
’
C
’
B
’
N
E
P
B’
N
’
’
C
’
C
’
B
C
’
B’
’
E
P
WaN(
’
E
E
WbN(
Rys.1.fSchematycznafbudowafifsymboleftranzystorafbipolarnegof
(a)ftypufn-p-nf if (b)ftypufp-n-pf
Dzięki(takiemu(domieszkowaniu(główną część prądu(złącza(emiterowego(stanowi(prąd(wstrzykiwania(
nośników(z(emitera(do(bazy(co(oznacza(dużą sprawność emitera’(Nośniki(wstrzyknięte(przez(emiter(
dyfundują poprzez( obszar( bazy( do( kolektora’( Dla( zapewnienia( dużej( wartości( współczynnika(
transportu( nośniki( mniejszościowe( powinny( w( jak( najmniejszym( stopniu( rekombinować w( obszarze(
bazy’( Osiąga( się to( przede( wszystkim( przez( zmniejszenie( jej( grubości( WszerokościN’( Efektywną
szerokość bazy( stanowi( obszar( między( granicami( obszarów( ładunku( przestrzennego( złącz(
emiterowego(i(kolektorowego’(Zmiana(napięcia(na(złączu(kolektorowym(powoduje(zmianę szerokości(
bazy(Wzjawisko(modulacji(szerokości(bazy(–(efekt(Early’egoN’(
Tranzystor( jako( element( o( trzech( końcówkach( może( być włączony( do( układu( elektrycznego( na( trzy(
sposoby(nazywane(układami(pracy’(Są to(odpowiednio:(układ(wspólnego(emitera(WOENZ(wspólnej(bazy(
WOBN(i(wspólnego(kolektora(WOCN’(Pokazano(je(schematycznie(na(rys’(2’(
WaN(
WbN(
WcN(
Rys.2.fTranzystorfn-p-nfwfkonfiguracjach:f(a)fwspólnegofemitera,f
(b)fwspólnejfbazyfif(c)fwspólnegofkolektoraf
CharakterystykiUstatyczneUtranzystora
Rys.3.,Typowe,charakterystyki,statyczne,tranzystora,bipolarnego,w,układzie,wspólnego,emitera:,
(a),charakterystyki,wejściowe,,(b),charakterystyki,przejściowe,,(c),charakterystyki,oddziaływania,
wstecznego,,(d),charakterystyki,wyjściowe,
Ponieważ wU każdymU układzieU pracyU tranzystoraU jednaU zU jegoU końcówekU jestU wspólnaU dlaU obwoduU
wejściowegoUiUwyjściowegoUtraktujemyUgoUjakoUczwórnik.UMożnaUgoUzatemUopisać czteremaUrodzinamiU
charakterystykU statycznych,U określającymiU zależnościU pomiędzyU wartościamiU stałychU prądówU iU napięć
występującychUnaUwejściuUiUwyjściu.USą to:U
–
–
–
–
charakterystykiUwejścioweU
Uwe=UfEIwe3U
przyUUwy=const,U
charakterystykiUprzejścioweU
Iwy=UfEIwe3U
Uwe= fEUwy3U
przyUUwy=const,U
przyUIwe=const,
Iwy=UfEUwy3U
przyUIwe=const.U
charakterystykiUoddziaływaniaUwstecznegoU
charakterystykiUwyjścioweU
U
TypoweU charakterystykiU tranzystoraU wU układzieU wspólnegoU emiteraU EOE3U są pokazaneU naU rys.3.U
SpośródU tychU charakterystykU największeU znaczenieU praktyczneU maU charakterystykaU wyjściowa.U JestU
onaUwykorzystywanaUdoUdefiniowaniaUobszarówUpracyUtranzystoraUjakUtoUpokazanoUnaUrys.4.USą to:U
–
obszar odcięcia znajdujący( się poniżej( krzywej( dla( IB="T( w( którym( oba( złącza( tranzystora(
polaryzuje(się w(kierunku(zaporowymT(
–
obszar nasycenia odpowiadający( narastającej( części( charakterystykT( w( którym( oba( złącza(
tranzystora(są spolaryzowane(w(kierunku(przewodzeniaT(
–
obszar aktywny znajdujący( się pomiędzy( obszarem( odcięcia( i( nasyceniaT( obejmujący( płaskie(
części( charakterystyk1( W( obszarze( tym( złącze( emiter:baza( jest( spolaryzowane( w( kierunku(
przewodzeniaT(a(złącze(kolektor:baza(w(kierunku(zaporowymT(
–
obszar bezpiecznej pracy CSOAx( w( którym( przyrząd( może( pracować bez( ryzyka( przebicia( lub(
uszkodzenia( w( wyniku( efektu( samonagrzewania1( Obejmuje( on( fragmenty( ww1( obszarów(
ograniczone( z( góry( hiperbolą mocy( admisyjnej( Pa i( prostą ICmax( oraz( z( prawej( strony( prostą
odpowiadającą maksymalnemu(napięciu(UCEmax1(
Rys.4. Charakterystyki wyjściowe z zaznaczonymi obszarami pracy
Parametry(małosygnałowe(typu(h
Tranzystor( jest( czwórnikiem( nieliniowym( z( uwagi( na( nieliniowe( zależności( między( jego( prądami(
i(napięciami1( W( zakresie( małych( amplitud( sygnału( tranzystor( można( traktować jako( czwórnik(liniowy(
opisany(układem(równań:(
u 1 = h 11i1 + h 12 u 2
i 2 = h 21i1 + h 22 u 2
gdzie( indeksy( 1( i( 2( reprezentują odpowiednio( stosowane( wcześniej( indeksy( OweO( i( OwyO1( Ponieważ
równanie(to(można(zapisać w(formie(macierzowej(parametry(tego(równania(noszą nazwę parametrów(
macierzowych( Ctypu( hx1( Parametry( te( w( zakresie( małych( częstotliwości( są liczbami( rzeczywistymi(
i(odpowiadają tangensowi( kąta( nachylenia( stycznych( do( odpowiednich( charakterystyk( statycznych(
w(wybranym(punkcie(pracyT(czyli(w(punkcie(odpowiadającym(składowym(stałym(prądów(i(napięć1(Są
one(zatem(określone(przez(odpowiednie(pochodne(tych(charakterystyk:(
h11 =
U1
| U 2 = const.
I1
h12 =
U1
| I1 = const.
U2
określają nachylenie(charakterystyki(wejściowej(i(charakterystyki(oddziaływania(wstecznegoT
h21 =
I2
| U 2 = const.
I1
h22 =
I2
| I1 = const.
U2
określają nachyleniefcharakterystykifprzejściowejf ifcharakterystykifwyjściowej3f
Wf praktycef wielkościf tychf nief wyznaczaf się poprzezf liczenief pochodnychCf alef stosujef się metodę
przybliżoną polegającą nafzastąpieniufpochodnychfilorazamifmałychfprzyrostówfodpowiednichfnapięć
ifprądów3f
Korzystającfzfrównaniafmacierzowegoftypufhfmożnafutworzyć schematfzastępczyftranzystoraCfktóryf
będzief jegof modelemf małosygnałowym3f Schematf tenf jestf przedstawionyf naf rys353f Pozwalaf onf naf
podanief sensuf fizycznegof poszczególnychf parametrówf h3f Parametryf tef wf danymf układzief pracyf
tranzystorafmają następującą interpretację:f
h”” IfimpedancjafwejściowaftranzystorafprzyfzwartymfobwodziefwyjściowymCf
h”T IfwspółczynnikfsprzężeniafzwrotnegofprzyfrozwartymfobwodziefwejściowymCf
hT” IfzwarciowyfwspółczynnikfwzmocnieniafprądowegoCf
hTT Ifrozwarciowafkonduktancjafwyjściowa3f
Rys.5. Schemat zastępczy odpowiadający macierzy h
Wykonanie ćwiczenia
Uproszczonyf schematf układuf pomiarowegof pokazanyf jestf naf rys3f 63f Wf ćwiczeniuf badanef są
tranzystoryf pracującef wf układzief wspólnegof emiteraf OOEE3f Dlaf tranzystorówf tychf należyf wyznaczyć
rodzinyf charakterystykf wf izotermicznychf warunkachf pracyCf orazf wf warunkachf występowaniaf efektuf
samonagrzewania3f Wf pierwszymf przypadkuf pomiarf jestf przeprowadzanyf metodą impulsowąCf któraf
zapewniaf wydzielanief małejf mocyf if tymf samymf utrzymanief temperaturyf tranzystoraf naf stałymf
poziomie3f Wf drugimf przypadkuf temperaturaf tranzystoraf zmieniaf się wrazf zef wzrostemf wydzielanejf
mocyfokreślonejfprzezfaktualnefwartościfnapięciafUCE ifprądufIC 3f
Dlaf badanegof tranzystoraf należyf wyznaczyć charakterystyki:f wejściowąCf przejściowąCf wyjściową
ifoddziaływaniaf wstecznego3f Wf warunkachf izotermicznychf pomiarf każdejf zf charakterystykf należyf
wykonać dlafkilkufwartościfparametru3fDlafnajwiększejfwartościfparametrufnależyfpomiarfpowtórzyć
wfwarunkachfsamonagrzewania3fPodczasftychfostatnichfpomiarówfnależyfpofkażdejfzmianiefnastawyf
odczekać ok3f3„fsek3fdlafustaleniafsię temperaturyftranzystora3f
Uwaga! Przedf przystąpieniemf dof pomiarówf sprawdzić „zachowanief się”f badanegof elementuf
wfukładzief pomiarowym3f Tzn3f dokonać wszystkichf możliwychf regulacjif if zaobserwowaćCf wf jakimf
zakresiefzmieniają się poszczególnefwielkościCfjakfsię zmieniają OgwałtownieCfwolnoE3fWfoparciufoftef
obserwacjef ustalić zakresf pomiarówCf krokf pomiarowyf Oniekoniecznief stałyf wf całymf zakresief
pomiarowymEf orazf wartościf parametrówf przyf jakichf będą mierzonef poszczególnef charakterystyki3f
Dopierofwtedyfprzystąpić dofwłaściwychfpomiarów3f
Rys.6. Schemat układu pomiarowego do zdejmowania charakterystyk statycznych tranzystora
bipolarnego w układzie OE.
Opracowanie wyników
wykreślić pomierzoneL wL warunkachL izotermicznychL charakterystykiL badanychL tranzystorówL
(wszystkieL charakterystykiLjednegoLtranzystoraLnaLwspólnymLwykresie),L
wyznaczyć naL podstawieL charakterystykL parametryL macierzyL mieszanejL typuL hL modeluL
małosygnałowegoLtranzystoraLwLukładzieLOEL(wszystkieLdlaLtegoLsamego, jednegoLpunktuLpracy),L
wykreślić charakterystykiL statyczneL dlaL jednegoL zL tranzystorówL zL naniesionymiL naL nichL prostymi,L
wynikającymiLzLmodeluLmałosygnałowegoL(obliczonymiLwLpoprzednimLpunkcie),L
naLwspólnymLwykresieLnarysować charakterystykiLstatyczneLtranzystoraLpracującegoLwLwarunkachL
izotermicznychLiLsamonagrzewaniaL(dlaLtejLsamejLwartościLparametru).L
Literatura
Z.LLisikL–LPodstawyLfizykiLpółprzewodników,LskryptL PŁ,L
A.LŚwit,LJ.LPułtorakL–LPrzyrządyLpółprzewodnikowe,L
W.LMarciniakL–LPrzyrządyLpółprzewodnikoweLiLukładyLscalone.L