Laboratorium elektroniki i miernictwa

Transkrypt

1 Numer indeksu Michał Moroz Imię i nazwisko Numer indeksu Paweł Tarasiuk Imię i nazwisko kierunek: Informatyka semestr 2 grupa II rok akademicki: 2008/2009 Laboratorium elektroniki i miernictwa Ćwiczenie T1 Charakterystyki tranzystorów Ocena:

2 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 i W tranzystorze bipolarnym wyróżnia się trzy wyprowadzenia - bazę (B), kolektor (C) i emiter (E), jak zostało to oznaczone na rysunku 1. T1 NPN C T2 PNP E B E B 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

3 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 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 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. BASE J3 R1 h11 h21 * Ib CS1 J1 COLLECTOR EMITTER J4 ~ VS1 h12 * Uce R2 h22 J2 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 I B i napięcia kolektor-emiter U CE : U BE = h 11e I B + h 12e U CE (1) I C = h 21e I B + h 22e U CE (2) Cztery współczynniki h 11e, h 12e, h 21e, h 22e są charakterystycznymi parametrami dla tego układu i opisują kolejno: 1. h 11e impedancja wejściowa przy zwartym obwodzie wyjściowym. 2. h 12e zwrotne wzmocnienie napięciowe przy rozwartym obwodzie wejściowym. 3. h 21e zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego. Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 3 / 18

4 4. h 22e admitancja wyjściowa przy rozwartym obwodzie wejściowym. W dalszej części sprawozdania będziemy posługiwać się pojęciami rezystancja dla h 11e oraz konduktancja dla h 22e, ponieważ pomiary przeprowadzane są dla prądu stałego. Poszczególne parametry można obliczyć za pomocą poniższych równań: h 11e = h 12e = ( ) UBE I B U CE =const ( ) UBE U CE ) ( IC h 21e = I B ( IC h 22e = U CE I B =const U CE =const ) I B =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. (3) (4) (5) (6) D G T1 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 U GS(OF F ) warstwa zubożona całkowicie odcina kanał. Płynie wtedy tylko niewielki prąd upływu I D(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. Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 4 / 18

5 - 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 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. CS1 ZZS-05 A A1 M-4650 T1 V V1 M-4660A V V2 M-4660A A A2 M-4650 G1 + ZN 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. Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 5 / 18

6 Tabela 1: Pomiary tranzystora bipolarnego przy I B = 0,25 µa. I B [µa] U BE [V] U CE [V] I C [ma] (0,27 ± 0,01) (0,393 ± 0,001) (0,000 ± 0,001) (0,00 ± 0,01) (0,27 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (0,494 ± 0,001) (0,00 ± 0,01) (0,27 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (1,025 ± 0,001) (0,00 ± 0,01) (0,27 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (1,500 ± 0,001) (0,00 ± 0,01) (0,27 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (2,063 ± 0,002) (0,00 ± 0,01) (0,27 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (2,523 ± 0,002) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (3,007 ± 0,002) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (3,495 ± 0,002) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (4,021 ± 0,003) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (4,497 ± 0,003) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (5,017 ± 0,003) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (5,588 ± 0,003) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (6,027 ± 0,004) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (7,070 ± 0,004) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (7,546 ± 0,004) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (8,003 ± 0,005) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (8,491 ± 0,005) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (9,020 ± 0,005) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (9,500 ± 0,005) (0,00 ± 0,01) (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (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. x = 1 n x i (7) n i=1 n (x i x) 2 i=1 x = (8) n (n 1) 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. Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 6 / 18

7 Tabela 2: Pomiary tranzystora bipolarnego przy I B = 100 µa. I B [µa] U BE [V] U CE [V] I C [ma] (100,26 ± 0,31) (0,594 ± 0,001) (0,013 ± 0,001) (0,00 ± 0,01) (100,05 ± 0,31) (0,621 ± 0,001) (0,051 ± 0,001) (0,61 ± 0,01) (100,22 ± 0,31) (0,661 ± 0,001) (0,104 ± 0,001) (3,01 ± 0,02) (100,04 ± 0,31) (0,671 ± 0,001) (0,145 ± 0,001) (4,88 ± 0,03) (100,18 ± 0,31) (0,679 ± 0,001) (0,211 ± 0,001) (6,06 ± 0,04) (100,16 ± 0,31) (0,678 ± 0,001) (0,302 ± 0,001) (6,23 ± 0,04) (100,14 ± 0,31) (0,679 ± 0,001) (0,406 ± 0,001) (6,23 ± 0,04) (100,13 ± 0,31) (0,679 ± 0,001) (0,500 ± 0,001) (6,23 ± 0,04) (100,12 ± 0,31) (0,678 ± 0,001) (1,006 ± 0,001) (6,25 ± 0,04) (100,09 ± 0,31) (0,677 ± 0,001) (2,061 ± 0,002) (6,28 ± 0,04) (100,08 ± 0,31) (0,675 ± 0,001) (3,030 ± 0,002) (6,31 ± 0,04) (100,08 ± 0,31) (0,673 ± 0,001) (4,014 ± 0,003) (6,35 ± 0,04) (100,07 ± 0,31) (0,671 ± 0,001) (5,160 ± 0,003) (6,38 ± 0,04) (100,06 ± 0,31) (0,670 ± 0,001) (6,005 ± 0,004) (6,41 ± 0,04) (100,06 ± 0,31) (0,667 ± 0,001) (8,067 ± 0,005) (6,47 ± 0,04) (100,05 ± 0,31) (0,662 ± 0,001) (10,581 ± 0,006) (6,54 ± 0,04) Obliczamy średnią i średni błąd średniej dla wartości z tabeli 2. I B = (100, 11 ± 0, 02) µa Tabela 3: Pomiary tranzystora bipolarnego przy U CE = 5 V. I B [µa] U BE [V] U CE [V] I C [ma] (0,28 ± 0,01) (0,465 ± 0,001) (5,001 ± 0,003) (0,00 ± 0,01) (4,88 ± 0,02) (0,570 ± 0,001) (5,002 ± 0,003) (0,16 ± 0,01) (10,48 ± 0,04) (0,610 ± 0,001) (5,000 ± 0,003) (0,44 ± 0,01) (19,37 ± 0,06) (0,629 ± 0,001) (4,999 ± 0,003) (0,95 ± 0,01) (30,47 ± 0,10) (0,642 ± 0,001) (4,998 ± 0,003) (1,64 ± 0,01) (40,86 ± 0,13) (0,650 ± 0,001) (4,997 ± 0,003) (2,31 ± 0,02) (50,72 ± 0,16) (0,655 ± 0,001) (4,996 ± 0,003) (2,96 ± 0,02) (60,75 ± 0,19) (0,660 ± 0,001) (4,995 ± 0,003) (3,64 ± 0,02) (70,58 ± 0,22) (0,663 ± 0,001) (4,994 ± 0,003) (4,30 ± 0,03) (80,80 ± 0,25) (0,666 ± 0,001) (4,993 ± 0,003) (5,01 ± 0,03) (90,52 ± 0,28) (0,669 ± 0,001) (4,992 ± 0,003) (5,71 ± 0,03) (100,57 ± 0,31) (0,671 ± 0,001) (4,991 ± 0,003) (6,43 ± 0,04) (110,64 ± 0,34) (0,673 ± 0,001) (4,991 ± 0,003) (7,15 ± 0,04) (120,89 ± 0,37) (0,675 ± 0,001) (4,990 ± 0,003) (7,90 ± 0,04) (130,04 ± 0,40) (0,676 ± 0,001) (4,989 ± 0,003) (8,57 ± 0,05) (139,02 ± 0,42) (0,677 ± 0,001) (4,988 ± 0,003) (9,30 ± 0,05) (150,10 ± 0,46) (0,678 ± 0,001) (4,987 ± 0,003) (10,06 ± 0,06) (159,94 ± 0,49) (0,679 ± 0,001) (4,986 ± 0,003) (10,81 ± 0,06) (170,75 ± 0,52) (0,681 ± 0,001) (4,986 ± 0,003) (11,63 ± 0,06) (180,99 ± 0,55) (0,681 ± 0,001) (4,985 ± 0,003) (12,41 ± 0,07) (190,85 ± 0,58) (0,681 ± 0,001) (4,984 ± 0,003) (13,17 ± 0,07) Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 7 / 18

8 Obliczamy średnią i średni błąd średniej dla wartości z tabeli 3. U CE = (4, 992 ± 0, 002) V Tabela 4: Pomiary tranzystora bipolarnego przy U CE = 10 V. I B [µa] U BE [V] U CE [V] I C [ma] (0,28 ± 0,01) (0,464 ± 0,001) (10,075 ± 0,006) (0,00 ± 0,01) (5,00 ± 0,02) (0,585 ± 0,001) (10,075 ± 0,006) (0,16 ± 0,01) (10,32 ± 0,04) (0,609 ± 0,001) (10,074 ± 0,006) (0,44 ± 0,01) (20,35 ± 0,07) (0,628 ± 0,001) (10,073 ± 0,006) (1,02 ± 0,01) (30,19 ± 0,10) (0,638 ± 0,001) (10,071 ± 0,006) (1,64 ± 0,01) (40,04 ± 0,13) (0,646 ± 0,001) (10,071 ± 0,006) (2,27 ± 0,02) (50,65 ± 0,16) (0,652 ± 0,001) (10,063 ± 0,006) (3,00 ± 0,02) (59,57 ± 0,18) (0,654 ± 0,001) (10,063 ± 0,006) (3,62 ± 0,02) (70,33 ± 0,22) (0,657 ± 0,001) (10,068 ± 0,006) (4,37 ± 0,03) (80,20 ± 0,25) (0,659 ± 0,001) (10,066 ± 0,006) (5,08 ± 0,03) (90,47 ± 0,28) (0,661 ± 0,001) (10,065 ± 0,006) (5,83 ± 0,03) (100,16 ± 0,31) (0,662 ± 0,001) (10,061 ± 0,006) (6,56 ± 0,04) (110,43 ± 0,34) (0,663 ± 0,001) (10,061 ± 0,006) (7,34 ± 0,04) (120,66 ± 0,37) (0,664 ± 0,001) (10,062 ± 0,006) (8,11 ± 0,05) (130,91 ± 0,40) (0,663 ± 0,001) (10,062 ± 0,006) (8,92 ± 0,05) (140,77 ± 0,43) (0,664 ± 0,001) (10,061 ± 0,006) (9,69 ± 0,05) (150,05 ± 0,46) (0,664 ± 0,001) (10,060 ± 0,006) (10,46 ± 0,06) (160,29 ± 0,49) (0,664 ± 0,001) (10,058 ± 0,006) (11,28 ± 0,06) (170,51 ± 0,52) (0,664 ± 0,001) (10,058 ± 0,006) (12,12 ± 0,07) (180,56 ± 0,55) (0,662 ± 0,001) (10,057 ± 0,006) (12,97 ± 0,07) (190,62 ± 0,58) (0,663 ± 0,001) (10,057 ± 0,006) (13,81 ± 0,07) Obliczamy średnią i średni błąd średniej dla wartości z tabeli 4. U CE = (10, 065 ± 0, 002) V 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. Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 8 / 18

9 Rysunek 5: Wykres charakterystyk wyjściowych badanego tranzystora. Rysunek 6: Wykres charakterystyk przejściowych badanego tranzystora zależność napięciowa. Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 9 / 18

10 Rysunek 7: Wykres charakterystyk wejściowych badanego tranzystora. Rysunek 8: Wykres charakterystyk przejściowych badanego tranzystora zależność prądowa. Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 10 / 18

11 Rysunek 9: Charakterograf tranzystora bipolarnego. Dzięki takiemu zestawieniu danych, możemy policzyć wartości parametrów dynamicznych tranzystora. h 11e = (28, 7 ± 3, 1) Ω h 12e = ( 1, 7 ± 0, 1) 10 3 h 21e = (74, 8 ± 0, 2) h 22e = (3, 17 ± 0, 05) 10 5 S Na podstawie tych wyników stwierdzamy, że dla U CE równego 10 V oraz I B równego 100 µa, rezystancja wejściowa tranzystora wynosi (28,7 ± 3,1) Ω, wzmocnienie prądowe (74,8 ± 0,2), wzmocnienie napięciowe (odwrotność zwrotnego wzmocnienia napięcia) K U = (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. Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 11 / 18

12 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. A2 M-4650 ZN ZZS V1 M-4660A V2 M-4660A - A Q1 G2 G1 V V + Rysunek 10: Schemat urządzenia pomiarowego do badania tranzystora unipolarnego. Tabela 5: Pomiary tranzystora bipolarnego przy U DS = 5 V. U GS [V] U DS [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. U DS = (5, 002 ± 0, 005) V Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 12 / 18

13 Tabela 6: Pomiary tranzystora bipolarnego przy U GS = -4 V. U GS [V] U DS [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) Obliczamy średnią i średni błąd średniej dla wyników z tabeli 6. U GS = ( 4, 008 ± 0, 000) V Tabela 7: Pomiary tranzystora bipolarnego przy U CE = -1,5 V. U GS [V] U DS [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) Obliczamy średnią i średni błąd średniej dla wyników z tabeli 7. Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 13 / 18

14 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. Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 14 / 18

15 Rysunek 12: Wykres charakterystyk wyjściowych badanego tranzystora. Na wykresie 11 można wyznaczyć punkt U GS(OF F ) w okolicy -5 V, w zależności od tego, jaką wartość prądu I D uznamy za graniczną. Dla przykładu, wartość 1 ma została osiągnięta przy napięciu 0,14 V dla U GS = 4 V oraz przy napięciu 0,62 V dla U GS = 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. Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 15 / 18

16 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. Q1 ZZS G2 V V1 M-4660A R1 ~ J1 UY+ J2 UY- G1 DF1641A UX+ J3 UX- J4 GND GND 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 Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 16 / 18

17 Rysunek 16: Oscylogram f = 560 Hz, X-Y, X: 2 V/div, Y: 20 mv/div, U = -2,994 V Rysunek 17: Oscylogram f = 560 Hz, X-Y, X: 2 V/div, Y: 20 mv/div, U = -0,992 V Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 17 / 18

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 [2] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki, Tom 3., Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa [3] S. M. Kaczmarek, PRZEBICIE I MODELE ZŁĄCZA p-n Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. T1 18 / 18