Badanie tranzystorów bipolarnych

Transkrypt

1 Instrukcja do ćwiczenia: Badanie tranzystorów bipolarnych (wersja robocza) Laboratorium Elektroenergetyki 1

2 1. Cel i program ćwiczenia Celem ćwiczenia jest: Zapoznanie się z budową tranzystorów. Zapoznanie się z charakterem pracy tranzystorów jako klucza (włączenie/wyłączenie obwodu) oraz jako bramki logicznej NOT. Wyznaczenie podstawowych charakterystyk pracy tranzystora. 2. Wiadomości podstawowe Tranzystor bipolarny budowa i zasada działania. Tranzystory są urządzeniami półprzewodnikowymi umożliwiającymi sterowanie przepływem dużego prądu, za pomocą prądu znacznie mniejszego. Wykorzystuje się je do wzmacniania małych sygnałów (tzn. wymuszając małymi sygnałami zmianę wartości dużych sygnałów) oraz przetwarzania informacji w postaci cyfrowej. Nazwa "tranzystor" pochodzi z połączenia słów transfer i rezystor. Nazwa bipolarne dotyczy tranzystorów, w których transport ładunków odbywa się za pośrednictwem obu rodzajów nośników jakie istnieją w półprzewodniku, tzn. elektronów i dziur. Półprzewodniki, w których na skutek nieregularności sieci krystalicznej przeważają nośniki typu dziurowego nazywa się półprzewodnikami typu p (niedomiarowymi), gdy przeważają nośniki elektronowe nazywa się je półprzewodnikami typu n (nadmiarowymi). Budowa tranzystora Tranzystor bipolarny powstaje zwykle w procesie dwukrotnej dyfuzji domieszek do półprzewodnika. Składa się z trzech sąsiadujących warstw półprzewodnika domieszkowanych naprzemiennie akceptorowo i donorowo; może być typu npn lub pnp. Elektrody tranzystora są dołączone do trzech jego części i nazywają się: emiter E, kolektor C i baza B. Rys.1. Budowa tranzystora bipolarnego oraz jego smbole graficzne. Tranzystor jest elementem wzmacniającym sygnały elektryczne, składającym się z dwóch złącz p-n połączonych szeregowo. 2

3 Rys. 2. Schemat ideowy tranzystora, sposób jego polaryzacji i symbol graficzny; a) tranzystor typu npn; b) tranzystor typu pnp. Zjawiska zachodzące w jednym złączu mają wpływ na drugie złącze i odwrotnie. Złącza są umieszczone w hermetycznej obudowie z trzema wyprowadzeniami poszczególnych warstw półprzewodnika. Skrajne warstwy półprzewodnika nazywano emiterem (E) i kolektorem (C) a środkową bazą (B). W zależności od typu półprzewodnika (n czy p) tworzącego bazę rozróżniamy tranzystory npn czy pnp. Przy polaryzacji złącz tranzystora jak pokazano na Rys.3. tranzystor nie przewodzi (jest zatkany), ponieważ napięcie UB polaryzuje zaporowo dzłącze pn (baza-emiter). Rys.3. Polaryzacja zaporowa tranzystora npn w kierunku zaporowym. Złącze górne kolektor-baza jest również spolaryzowane zaporowo przez napięcie (UB+UCE). W wyniku zaporowej polaryzacji obu złączy tranzystora ładunki dodatnie (dziury) gromadzą się w środku bazy, gdyż są odpychane przez pole elektryczne kolektora i emitera, a ładunki elektryczne ujemne (elektrony) gromadzą się w kolektorze i emiterze, z dala od bazy. Na skutek tego przez oba złącza pn prąd nie popłynie, a zatem tranzystor nie przewodzi (jest zablokowany, zatkany). Po zmianie kierunku napięcia zasilającego obwód bazy tranzystora złącze baza-emiter będzie spolaryzowane w kierunku przewodzenia (rys.4.). Należy zauważyć, że napięcie zasilające obwód kolektora jest tak skierowane, że zawsze złącze baza-kolektor jest spolaryzowane zaporowo. Kolektor przyciąga wszystkie ładunki swobodne ujemne znajdujące się w obszarze bazy, a odpycha ładunki dodatnie. Ponieważ baza jest wykonana z półprzewodnika typu p, to 3

4 można założyć, że normalnie nie ma w niej elektronów swobodnych i przez złącze bazakolektor prąd nie popłynie. Rys. 4. Polaryzacja tranzystora npn w kierunku przewodzenia. W przypadku dodatniego spolaryzowania złącza baza emiter (rys. 4.) przewodzi ono prąd. Elektrony z emitera przechodzą do bazy, a ponieważ baza jest bardzo cienka, to natychmiast dostają się w pole przyciągania kolektora i wskutek tego złącze baza kolektor przewodzi prąd. Tyklko niewielka część elektronów z emitera płynie w obwodzie bazy. Większość elektronów biegnioe do kolektora ponieważ napięcie kolektor-emiter UCE jest znacznie wyższeod napięcia baza-emiter UBE. Rozpływ elektronów w tranzystorze odbywa się według prawa Kirchhoffa. IE=IC+IB (1) Prąd bazy jest znacznie mniejszy od prądu kolektora, a zatem prąd kolektora jest prawie równy padowi emitera czyli IC IB. Tranzystor jest wzmacniaczem prądu bzy- to znaczy, że mały prąd bazy powoduje przepływ dużego prądu kolektora, małe zmiany prądu bazy powodują duże zmiany prądu kolektora. Wzmocnieniem prądowym tranzystora β nazywamy iloraz zmian prądu kolektora i zmian pradu bazy. β = I C I B (2) Wzmocnienie prądowe β współczesnych tranzystorów krzemowych ma wartość kilkaset a nawet kilka tysięcy. Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego. Schemat tranzystora pracującego w układzie wspólnego emitera (WE) oraz jego charakterystyki statyczne przedstawiono na rysunkach 5, 6 i 7. 4

5 Rys. 5. Schemat ideowy układu do pomiaru charakterystyk tranzystora bipolarnego. Z charakterystyk wejściowych wynika, że prąd bazy zależy nie tylko od napięcia wejściowego UBE, ale i nod napięcia kolektor-emiter UCE. Jest to zrozumiałe jeżeli zważymy, że kolektor wychwytuje z bazy tym więcej elektronów im większy ma potencjał dodatni. Można zauważyć, że kształt charakterystyki IB = f (UBE) jest zbliżony do zależności pądu od napięcia dla diody prostownicvzej spolaryzowanej w kierunku przewodzenia. Charakterystyki wyjściowe tranzystora mają kształt podobny do charakterystyk anodowych pentody. Prąd kolektora początkowo szybko się zwieksza (przy niskim napięciu UCE) a następnie przestaje się zwiekszać (tranzystor nasyca się) i prawie nie zależy od napięcia UCE. Wartość prądu kolektora w nasyceniu zależy głównie od prądu bazy. Istotną rzeczą jest to, że przy prądzie bazy IB=0 prąd kolektora jest większy od zera i ma wartość ICE0 (od kilku do kilkuset mikroamperów-zależnie od typu tranzystora). Rys. 6. Charakterystyki wejsciowe i wyjściowe tranzystora w układzie wspólnego emitera. Jest to spowodowane generacją cieplna ładunków swobodnych w złączu pn baza kolektor spolaryzowanym zaporowo przez napięcie UCE. Prąd ICEO nazywamy prądem zerowym kolektora. 5

6 Rys. 7. Przykładowe charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego z zaznaczonymi ograniczeniami jego pracy tzn. prądu kolektora, napięcia kolektor-emiter oraz mocy admisyjnej. Podobnie jak w przypadku diod w tranzystorach podczas przewodzenia wydziela się ciepło na rezystancji złącz pn. Aby nie dopuścic do cieplnego zniszczenia tranzystora, nie wolno przekraczać jego mocy admisyjnej Pa podawanej w katalogach. Na charakterystyce wyjściowej tranzystora (rys. 7.) obszar dopuszczalnej pracy znajduje się poniżej charakterystyki mocy admisyjnej. Jak widać na rys. 7 charakterystyka ta jest hiperbolą opisującą zależneść I C = P a U CE, gdzie Pa jest wielkością stałą. Obszar pracy dopuszczalnej ogranicza oprócz krzywej mocy admisyjnej, dopuszczalny prąd kolektora (ICdop) ICmax. I dopuszczalne napięcie klektor-emiter (UCEdop) UCmax. Powyżej napięcia UCEmax następuje przebicie tranzystora, a powyżej prądu kolektora ICmax przeciązenie prądowe (uszkodzenie cieplne złącz emiter- baza i baza-kolektor. W obu przypadkach tranzystor zostaje zniszczony. Moc admisyjną tranzystora Pa można zwiększyć polepszając warunki chłodzenia tranzystorów. To rozwiązanie wykorzystuje się w tranzystorach mocy montując je na specjalnch chłodnicach zwanych radiatorami. W celu podniesienia skuteczności oddawania ciepła przez pracujacy tranystor omywa się go wraz z radiatorem wymuszonym strumieniem powietrza, w bardzo podobny sposób jak mikroprocesory w komputerach osobistych. Radiatory wykonuje się się z materiałów dobrze przewodzących ciepło takich jak: aluminium lub miedź. Prąd zerowy koklektora ICE0 ogranicza obszar możliwej pracy tranzystora. Z tego wzlędu powinien być jak najmniejszy. Prąd ICE0 silnie zależy od temperatury pracy tranzystora. W temperaturze pokojowej ICE0 tranzystorów krzemowych jest kilkadziesiąt razy mniejszy od prądu ICE0 tranzystorów germanowych. Ważnym parametrem tranzystorów, w przypadku ich użycia w układach prądu zmiennego, jest maksymalne dpuszczalne napięcie wsteczne bazaemiter UBEM. W przypadku tranzystorów krzemowych najczęściej wynosi ono ok. 5 V. Powyżej tego napięcia wstecznego następuje przebicie złącza baza-emiter, a zatem uszkodzenie 6

7 tranzystora. Trzeba zauważyć, że tranzystory krzemowe mają lepsze parametry niż germanowe, zwłaszcza jeżeli chodzi o stabilnośc i wytrzymałośc termiczną. Wadą tranzystorów dwuzłączowych (bipolarnych) jest konieczność sterowania ich prądem bazy. Mają one małą rezystancję wejściową i z tego względu źródło napięcia wejściowego musi też mieć małą rezystancję wewnętrzną. Wada ta (mała rezystancja wejściowa tranzystora) została usunieta przez wynalezienie, na początku lat sześdziesiątych tranzystorów polowych inaczej zwanych jednopolowymi lub unipolarnymi. Szczególnie dużą rezystancję wejściową tranzystora uzyskano w tranzystorze polowym z izolowaną bramką, gdzie sterowanie prądem drenu odbywa się bez prądowo poprzez zmiane polaryzacji bramki tranzystora. Szczegóły budowy i zasady dzialania tranzystorów polowych będą przekazane studentom podczas wykładów z przemiotu Elektroenergetyka i elektronika w pozarnictwie. Zastosowanie tranzystora bipolarnego. Tranzystor ze względu na swoje właściwości wzmacniające znajduje bardzo szerokie zastosowanie. Jest wykorzystywany do budowy wzmacniaczy rożnego rodzaju: różnicowych, operacyjnych, mocy (akustycznych), selektywnych, pasmowych. Jest kluczowym elementem w konstrukcji wielu układów elektronicznych, takich jak źródła prądowe, stabilizatory, przesuwniki napięcia, klucze elektroniczne, przerzutniki czy generatory. Tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo (bateria E C ), natomiast złącze baza-emiter w kierunku przewodzenia (bateria E B ). Rozpływ prądu w tranzystorze npn pracującego w układzie wspólnego emitera. Ponieważ złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia to istnieje przepływ dziur z obszaru p do obszaru n (I B1) oraz przepływ elektronów z obszaru n do obszaru p ( I B). Rys. 7. Schemat wzmacniacza tranzystorowego pracującego w układzie wspólnego emitera oraz rozpływ prądów w złączach emiter-baza oraz bzaa-kolektor. Elektrony wprowadzane z emitera do bazy stają się tam nośnikami mniejszościowymi i drogą dyfuzji oddalają się od złącza emiterowego (złącze E). Część tych elektronów łączy się z dziurami, których w bazie jest bardzo dużo (obszar p). Wszystkie elektrony, które dotrą w pobliże złącza kolektor-baza (złącze C) są unoszone do obszaru kolektora. Dla niedużej szerokości obszaru p (bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do bazy dotrą do kolektora. Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza. 7

8 Tranzystor pracujący w układzie klucza elektronicznego Jednym ze sposobów wykorzystania tranzystora bipolarnego jest budowa klucza elektronicznego. Klucz tranzystorowy jest podstawą do budowę układów logicznych. Podstawowym układem w którym wykorzystuje się tranzystor bipolarny jako element logiczny jest bramka NOT (inwerter - układ odwracający fazę sygnału wejściowego), której schemat ideowy oraz tabelę stanów przedstawia rys. 8. Punkt pracy tranzystora w tym układzie przyjmuje na charakterystyce IC=f(Uwy) pokazanej na rys. 9, jedno z dwóch ściśle określonych położeń. Odpowiadają one odpowiednio: stanowi nasycenia przez tranzystor przepływa wtedy maksymalny prąd IC wynikający U z wartości RC (I CC U CE C= ) oraz R C stanowi zatkania prąd kolektora IC jest wtedy prawie równy zero. Stan nasycenia Na wejście układu (rys. 2) podajemy jedynkę logiczna (1), czuli sygnał wysoki UWE=5V. Złącze baza-emiter tranzystora T jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia (UBE 7V), Płynie prąd bazy IB zależny od rezystora RB (I B= U WE U BE R B ), Tranzystor silnie przewodzi, aż do nasycenia (prąd kolektora I c > βi B, gdzie β współczynnik wzmocnienia tranzystora), ponieważ napięcie UCE w nasyceniu ma znikoma wartość ok. 0,2V, Napięcie wyjściowe: U wy =U CC -U Rc, a więc Uwy=UCE 0, czyli na wyjściu pojawi się zero logiczne (0), Rys.8. Schemat ideowy oraz tabela stanów bramki logicznej NOT. 8

9 Stan zatkania Na wejście układu (rys.8) podajemy zero logiczne (0) czyli UWE=0V, Złącze baza-emiter tranzystora T nie jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, Prąd bazy IB=0, Tranzystor nie przewodzi prądu IC 0 ( w szczególności płynie znikomo mały prąd blokowania), Napięcie na rezystorze Rc jest w przybliżeniu równe zero (urc 0), Napięcie wyjściowe Uwy=UCC URc, a więc Uwy=UCE UCC, czyli na wyjściu pojawi się jedynka logiczna (1). Rys. 9. Charakterystyki wyjściowe tranzystora. Ponieważ tranzystor może pełnić rolę klucza elektronicznego, z tranzystorów buduje się także bramki logiczne realizujące podstawowe funkcje boolowskie (-> algebra Boole a), co stało się motorem do bardzo dynamicznego rozwoju techniki cyfrowej w ostatnich kilkudziesięciu latach: Tranzystory są także podstawowym budulcem wszelkiego rodzaju pamięci półprzewodnikowych (RAM, ROM, itp.). Dzięki rozwojowi technologii oraz ze względów ekonomicznych większość wymienionych wyżej układów tranzystorowych realizuje się w postaci układów scalonych. Niektórych układów, jak np. mikroprocesorów liczących sobie miliony tranzystorów, nie sposób byłoby wykonać bez technologii scalania. Poniżej przedstawione zostaną przykłady zastosowania tranzystora jako analogowego wzmacniacza sygnałów elektrycznych jak również jako klucza tranzystorowego podstawowego ogniwa elektronicznych układów cyfrowych. 9

10 Rys. 10. Tranzystor jako łącznik. Tranzystor w elektronice cyfrowej może tworzyć strukturę pamięci cyfrowej, mikroprocesora. W technice analogowej może być elementem radiowego wzmacniacza wejściowego, czujnika pomiarowego. Pomiary charakterystyk statycznych tranzystora wykonuje się w układzie jak na rysunku 5. Rys. 11. Przykład zastosowania tranzystora bipolarnego jako klucza tranzystorowego. Z zasady działania tranzystora wynikają trzy podstawowe możliwości jego sterowania. Prąd kolektora może być zmieniany przez zmianą prądu emitera, prądu bazy lub napięcia między emiterem i bazą. Dla dobrego odbierania nośników mniejszościowych z bazy napięcie między kolektorem i bazą powinno polaryzować złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym. Dopóki tak jest, zmiany napięcia na kolektorze niewiele wpływają na prąd kolektora, szczególnie przy sterowaniu tranzystora prądem emitera (układ WB wspólna baza). Odpowiada to zakresowi dodatnich napięć między kolektorem i bazą. Zmniejszenie napięcia na złączu kolektor-emiter, przy spolaryzowaniu go w kierunku przewodzenia, powoduje 10

11 zmniejszenie prądu kolektora, mimo utrzymywania stałego prądu emitera. Kolektor przestaje wówczas odbierać nośniki wprowadzone przez emiter i staje się także źródłem prowadzającym nośniki do bazy. Zakres, w którym złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektor-baza zaporowo, nazywa się zakresem aktywnym. Zakres, w którym przewodzi złącze kolektor-baza, przy przewodzącym drugim złączu, nazywa się zakresem nasycenia. Podobne zakresy występują przy sterowaniu prądem bazy, przy czym złącze kolektor-baza zaczyna przewodzić już przy dodatnich napięciach miedzy kolektorem i emiterem (UCE > UCEs, gdzie CES jest napięciem nasycenia). Należy zwrócić uwagę na to, że nachylenie charakterystyk tranzystora dla układu WE jest większe niż dla układu WB. Charakterystyki te nazywają się charakterystykami kolektorowymi; parametrem jest prąd sterujący. Charakterystyki prądu emitera mają kształt podobny do charakterystyk diody; występujące zmiany prądu emitera pod wpływem napięcia między kolektorem i emiterem są spowodowane zmianą szerokości obszaru przelotowego bazy. Zmiany szerokości obszaru przelotowego bazy pod wpływem napięcia między kolektorem i bazą wpływają także nieco na charakterystyki kolektorowe, co zaznacza się w postaci niewielkiego nachylenia charakterystyk w zakresie aktywnym. Na rysunkach przedstawiających charakterystyki statyczne tranzystora nie pokazano ograniczeń mocowych i napięciowych. 3. Zagadnienia i pytania kontrolne Opisz budowę tranzystora typu npn. Narysuj schemat tranzystora spolaryzowanego w kierunku przewodzenia Naszkicuj przykładową charakterystykę wejściową tranzystora (wraz z opisem osi i krótkim komentarzem). Naszkicuj przykładową charakterystykę wyjściową tranzystora (wraz z opisem osi i krótkim komentarzem). Wymień i krótko opisz podstawowe zastosowania tranzystora. 11