Rys. 1. Oznaczenia tranzystorów bipolarnych pnp oraz npn

Transkrypt

1 Ćwiczenie 4. harakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego 1. L ĆWIZNI elem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi charakterystykami statycznymi oraz z najwaŝniejszymi parametrami i modelami tranzystora bipolarnego npn pracującego w konfiguracji wspólnego emitera. 2. WPROWDZNI 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. by 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 źródeł 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. aza jest więc pewną linią transmisyjną, przez którą płyną nośniki. by 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 Wydział lektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych 1

2 Ćwiczenie 4. harakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego i przyspieszające ruch elektronów. Strumień elektronów odbieranych przez kolektor jest prawie równy strumieniowi elektronów wstrzykiwanych przez emiter, czyli prąd kolektora nie zaleŝy w zasadzie od napięcia U, lecz jest wyłącznie funkcją napięcia U 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 (W), bazie (W) 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 k i dla poszczególnych układów włączenia ma następującą postać: gdzie: k = α = I / I (ok ) dla układu W, i k = β = I / I (ok ) dla układu W, i ( ) k = α = I / I = I + I / I = β + 1 dla układu W. i α, β zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla konfiguracji odpowiednio W i W. Wydział lektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych 2

3 Ćwiczenie 4. harakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego 2.3. harakterystyki 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 charakterystykami statycznymi. harakterystyki 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 pojedynczej charakterystyce jedna z wielkości niezaleŝnych jest traktowana jako parametr. Dla konfiguracji wspólnego emitera najdogodniejszy jest układ czterech rodzin charakterystyk statycznych (dotyczy połączenia normalnego): harakterystyki wejściowe I ( U ) przy U harakterystyki wyjściowe I ( U ) przy I harakterystyki przejściowe prądowe ( ) harakterystyki zwrotne napięciowe ( ) = const, = const, I I przy U U U przy I = const, = 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 W, zaznaczając na osiach wartości prądów i napięć odpowiadających typowemu tranzystorowi małej mocy. Rys. 4. Wejściowe charakterystyki statyczne ( ) i u tranzystora bipolarnego małej mocy Rys. 4 przedstawia rodzinę charakterystyk wejściowych ( ) i u przy ustalonej wartości napięcia wyjściowego u. Jak widać, wpływ tego parametru jest niewielki i często moŝna zamiast rodziny charakterystyk posługiwać się jedną krzywą opisywaną równaniem: ( ) = exp 1 i u I S gdzie I S jest prądem nasycenia złącza emiterowego S u V T, (1) β + 1. I pomniejszonym o ( ) Nie pokazano dokładnie przebiegu charakterystyk w zakresie małych napięć wejściowych. Wydział lektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych 3

4 Ćwiczenie 4. harakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego Na Rys. 5 pokazano charakterystyki wyjściowe ( ) i u przy stałym prądzie bazy Krzywą przerywaną zaznaczono granicę między zakresem nasycenia i aktywnym normalnym. W zakresie nasycenia prąd i silnie zaleŝy od napięcia u i słabo od prądu bazy i. 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 arly'ego. Powoduje on, Ŝe charakterystyki wyjściowe po przedłuŝeniu przecinają oś napięć w punkcie U = U (patrz Rys. 6). i. Rys. 5. Wyjściowe charakterystyki statyczne ( ) i u tranzystora bipolarnego małej mocy i -U Rys. 6. Wpływ zjawiska arly ego na charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego Na Rys. 7 pokazano charakterystyki przenoszenia prądowego ( ) u i i przy napięciu wyjściowym u traktowanym jako parametr. Nachylenie tych charakterystyk jest określone przez współczynnik β. Nachylenie to dla danego u jest w szerokich granicach zmian i 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 arly'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 i i =. (2) u = 0 Warunek U = 0 zapewnia, Ŝe prąd zerowy kolektora I 0 jest równy 0. Dla ustalonej wartości i większym wartościom napięcia u odpowiada większe β. Jest to wpływ modulacji napięciowej szerokości bazy, bowiem przy większym u baza jest cieńsza i wtedy zarówno współczynnik transportu jak i sprawność wstrzykiwania rosną. Przy przyjętej skali nie widać skończonej wartości prądu kolektora dla i = 0, czyli prądu I 0. Jego wartość, rzędu nanoamperów, powoduje, Ŝe omawiane charakterystyki z Rys. 7 przechodzą praktycznie przez początek układu współrzędnych ( I 0 = 0 ). Wydział lektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych 4

5 Ćwiczenie 4. harakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego Rys. 7. Statyczne charakterystyki przenoszenia ( ) harakterystyki ( ) gdzie parametr i i moŝna opisać równaniem: i = I + β i u + U jest napięciem arly'ego. 0 1 U i i tranzystora bipolarnego małej mocy, (3) Rys. 8. ZaleŜność β ( i ) 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 ( i ), w zakresie duŝych i małych prądów β przyjmuje mniejsze wartości. Na osiach podano orientacyjne wartości zmiennych, odpowiadające wcześniej omawianemu tranzystorowi małej mocy. 3. ZDNI 3.1. Pomiary charakterystyk wyjściowych przy połączeniu normalnym I U przy W układzie z Rys. 9 zmierzyć i wykreślić rodzinę charakterystyk wyjściowych ( ) I = const tranzystora (w układzie W) dla I = 10,15,20,25 µ. U Z1 =+12V Metex Metex I Metex 22 I 330k 33nF V RZN U I max =20m TM 1 U Z3 =+12V Rys. 9. Układ do pomiaru charakterystyk wyjściowych tranzystora w połączeniu normalnym Wydział lektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych 5

6 Ćwiczenie 4. harakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego 3.2. Pomiary charakterystyk wyjściowych przy połączeniu inwersyjnym W układzie z Rys. 9 zamienić miejscami wyprowadzenia emitera i kolektora. W tym celu odwrócić łączówkę z tranzystorem. Zmierzyć i wykreślić rodzinę charakterystyk wyjściowych tranzystora w połączeniu inwersyjnym I ( U ) przy I = const tranzystora (w układzie wspólnego emitera) dla I = 15,20,25 µ. UWG: W połączeniu inwersyjnym nie przekraczać napięcia U = 4V z uwagi na moŝliwość wystąpienia zjawiska przebicia złącza baza-emiter i uszkodzenia tranzystora Pomiary charakterystyki wejściowej i przejściowej w układzie W W układzie przedstawionym na Rys. 10 pomierzyć jednocześnie (dla tych samych wartości I f U I = f U. U ) charakterystykę wejściową = ( ) i charakterystykę przejściową ( ) U Z1 =+3V Metex Metex 16 I Metex k I V RZN U 33nF I max =20m TM 1 U Z3 =+3V Rys. 10. Układ do pomiaru charakterystyki wejściowej I = f ( U ) i przejściowej I f ( U ) U Sporządzić następujące wykresy: 1. I = f ( U ) oraz I = f ( U ) przy U 2. N f ( I ) 3. I f ( U ) = const = const w skali liniowo-liniowej, β = : N w skali liniowej, I w skali logarytmicznej, = : I w skali logarytmicznej, Na podstawie wykresu I f ( U ) = określić prąd SN U w skali liniowej. I oraz współczynnik n. WYPOSśNI STNOWISK LORTORYJNGO 1. Napięcia zasilające: stałe + 12V oraz + 3V. 2. Układy laboratoryjne i podzespoły: tablica montaŝowa TM1 z modułem regulowanego źródła napięcia RZN, tranzystor 107 na łączówce, kondensator 33nF. zwory Z1 i Z2 na łączówce. = przy Wydział lektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych 6