152 Elektryczność 3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17) Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk tranzystora npn w układzie ze wspólnym emiterem W E. Zagadnienia do przygotowania: półprzewodniki, złącze pn; budowa i zasada działania tranzystora; charakterystyki tranzystora w układzie WE; układy pracy tranzystora. Literaturapodstawowa:[2],[4],[19]. 3.4.1 Podstawowe pojęcia i definicje Półprzewodniki Półprzewodniki są to ciała stałe charakteryzujące się tym, że ich przewodność elektryczna rośnie w szerokim zakresie wraz z temperaturą i wykazuje wrażliwość na niezmiernie małe ilości niektórych domieszek. Grupa tych materiałów ze względu na przewodnictwo elektryczne znajduje się pomiędzy metalami a dielektrykami(izolatorami). Półprzewodniki czyste chemicznie nazywamy samoistnymi. Pierwiastki czwartej grupy układu okresowego, np. german i krzem są półprzewodnikami samoistnymi. Mają one strukturę krystaliczną typu diamentu. Każdy atom otoczony jest czterema najbliższymi sąsiadami, a para elektronów po jednym z dwu sąsiadujących atomów wytwarza wiązanie kowalencyjne. Zjawiska zachodzące w metalach, półprzewodnikach i izolatorach tłumaczy się w sposób uproszczony za pomocą modelu pasmowego ciał stałych. Dokładny opis jest możliwy tylko na podstawie kwantowej teorii ciała stałego. W półprzewodnikach samoistnych w temperaturze zera bezwzględnego jest całkowicie zapełnione, a całkowicie puste(rysunek 3.4.1a). Oba pasma rozdziela przerwa energetyczna rzędu 1 ev. Pod wpływem wzbudzeń termicznych, naświetlania lub przyłożenia silnego pola elektrycznego elektrony z pasma walencyjnego mogą uzyskać dodatkową energię, wystarczającą do przekroczenia przerwy. Stają się wtedy swobodnymi nośnikami prądu. Jednocześnie w paśmie walencyjnym pojawiają się stany nieobsadzone(dziury) po elektronach, które również mogą powodować przepływ prądu. Liczba dziur jest równa liczbie elektronów w paśmie przewodnictwa. W ten sposób półprzewodnik samoistny może przewodzić prąd elektryczny, który składa się z prądu elektronowego w paśmie przewodnictwa i prądu dziurowego w paśmie walencyjnym. Przez cały czas zachodzi rekombinacja, dzięki której elektrony z pasma przewodnictwa oddają nadmiar energii i zapełniają dziury w paśmie walencyjnym. W związku z tym definiuje się średni czas życia nośników prądu elektrycznego. W półprzewodnikach domieszkowych istnieją domieszki pierwiastków z trzeciej lub piątej grupy układu okresowego. Jeżeli w sieci germanu zamiast jednego z jego atomówznajdziesięatomztrzeciejgrupy(ind,bor),tojednozwiązańatomugermanu pozostanie niewysycone, gdyż atom domieszki ma o jeden elektron mniej niż atom
Badanie charakterystyk tranzystora(e17) 153 In As przerwa energetyczna poziom akceptorowy poziom donorowy a) b) c) Rys. 3.4.1: Wiązania elektronowe w półprzewodniku samoistnym(a), typu p(b) oraz typu n(c). Przedstawione są także pasma walencyjne i przewodzenia oraz stany energetyczne akceptorowe idonorowe. germanu(rysunek 3.4.1b). Wiązanie to może być uzupełnione dowolnym elektronem z innego atomu germanu. Ten nowy elektron zajmie wtedy stan zlokalizowany przy atomie domieszki, a jednocześnie pojawi się dziura w paśmie walencyjnym. Domieszki powodujące tego typu efekty nazywają się akceptorami, a półprzewodnik domieszkowy jest typu p(positive). Jeżeli w sieci germanu znajdzie się atom z piątej grupy(arsen, antymon), cztery z jego elektronów walencyjnych tworzą wiązania z sąsiednimi atomami germanu, a piąty jest bardzo słabo związany(rysunek 3.4.1c). Nieduża energia wystarcza, aby przenieść ten elektron do pasma przewodnictwa. Domieszki tego rodzaju nazywają się donorami, a półprzewodnik jest typu n(negative). Złącze pn Złączem pn nazywamy granicę istniejącą w półprzewodniku między dwoma obszarami typu p i typu n. Można go utworzyć nawet z jednego półprzewodnika przez odpowiednie domieszkowanie. W temperaturach wyższych od zera bezwzględnego znaczna część poziomów domieszkowych jest zjonizowana. W paśmie podstawowym części p istnieją więc dziury, a w paśmie przewodnictwa części n elektrony. Są to nośniki większościowe. W każdym półprzewodniku istnieją również nośniki mniejszościowe: elektrony w p i dziury w n. Liczba nośników mniejszościowych zależy jedynie od temperatury i szerokości pasma zabronionego i ustala się w wyniku równowagi dynamicznej między procesami tworzenia oraz rekombinacji nośników.
154 Elektryczność p n Rys. 3.4.2: Złącze pn. Na skutek zetknięcia obu części półprzewodnika zaczyna wyrównywać się stężenie nośników większościowych w każdym z pasm. W paśmie przewodnictwaelektronypłynązndop,awpaśmiewalencyjnymdziuryzpdon.postronieppojawiasięwarstwa ładunku ujemnego, a po stronie n dodatniego (rysunek 3.4.2). Między tymi warstwami powstaje próg potencjału, przeciwdziałajacy dalszemu przechodzeniu tych nośników. Przechodzenie dziur z obszarutypupdoobszarutypunorazelektronów wkierunkuodwrotnym,awięcdoobszarów,wktórych stają się one nośnikami mniejszościowymi, nazywa się wstrzykiwaniem nośników. Jeżeli do półprzewodnika typu n przyłożymy dodatni(w stosunku do półprzewodnika typu p) potencjał elektrostatyczny, to bariera potencjału w złączu powiększy się. Mówimy wtedy, że półprzewodnik został spolaryzowany w kierunku zaporowym. Prąd płynący przez złącze jest mały i ze wzrostem napięcia szybko osiąga nasycenie. Odmiennie zachowuje się złącze przy polaryzacji odwrotnej, gdy potencjał dodatni jest przyłożony do półprzewodnika typu p. Teraz bariera potencjału obniża się, co sprzyja znacznemu(wykładniczemu) wzrostowi prądu wraz ze wzrostem napięcia. Mówimy wtedy, że półprzewodnik został spolaryzowany w kierunku przewodzenia. Tranzystory Tranzystory są grupą elementów elektronicznych o regulowanym(sterowanym) przepływie ładunków elektrycznych. Ze względu na zasadę działania tranzystory dzieli się na dwie grupy: tranzystory bipolarne i tranzystory unipolarne(polowe). Tranzystorem bipolarnym nazywamy układ złożony z trzech warstw półprzewodnika, ułożonych w kolejności pnp lub npn. Poszczególne warstwy tranzystora nazywamy emiterem E, bazą Bikolektorem K. Złącze EB polaryzujemy w kierunku przewodzenia, a złącze BK w kierunku zaporowym. W obszarze emitera prąd jest głównie przenoszony przez nośniki większościowe. Przechodzą one do bazy, gdzie jako nośniki mniejszościowe dyfundują do kolektora. Jeżeli grubość bazy jest dużo mniejsza niż średnia droga dyfuzji tych nośników, to prawie wszystkie nośniki wstrzykiwane z emitera do bazy osiągają kolektor. Tam znowu stają się nośnikami większościowymi, znacznie zwiększając płynący tam prąd wsteczny. Układy pracy tranzystora Tranzystor może pracować w różnych układach połączeń, w których cechą charakterystyczną jest wspólna jedna z elektrod. Możliwa jest praca w układzie ze wspólnym emiterem WE,zewspólnąbazą WBorazzewspólnymkolektorem WK.Przydatność tranzystora do celów praktycznych określa się za pomocą parametrów, takich
Badanie charakterystyk tranzystora(e17) 155 jakwspółczynnikwzmocnieniaprądowego β,opórwejściowy r wej,czyopórwyjściowy r wyj : ( ) IK β =, (3.4.1) I B U KE ( ) UBE r wej =, (3.4.2) I B U KE ( ) UKE r wyj =. (3.4.3) I K I B Charakterystyki tranzystora w układzie W E Charakterystyki tranzystorów podają wzajemne zależności pomiędzy prądami przepływającymi przez tranzystor a napięciami występującymi między jego elektrodami. Dostarczają one wielu informacji dotyczących własności i możliwości zastosowania tych elementów półprzewodnikowych w układach elektronicznych. Wybrane charakterystyki tranzystora w układzie W E: charakterystykawejściowa I B = f (U BE )przy U KE = constkrzywajestcharakterystyką diody utworzonej przez złącze EB. Z charakterystyki obliczamy parametr r wej dlaokreślonegopunktu(przedziału)pracy; charakterystykaprzejściowa I K = f (I B )przy U KE = constzależnośćjestna całejdługościprawieliniąprostą,więcmożnaprzyjąć,żeprądkolektora I K jest proporcjonalnydoprądubazy I B.Zcharakterystykiobliczamyparametr β; charakterystykawyjściowa I K = f (U KE )przy I B = constprąd I K szybko osiąga swoją stałą wartość. Jest to spowodowane zjawiskiem nasycenia, gdyż powyżejpewnegonapięcia U KE wszystkienośnikiładunkuelektrycznego,pobudzonenapięciem U KE,biorąudziałwtworzeniuprądukolektora.Zcharakterystyki obliczamyparametr r wyj dlaokreślonegopunktu(przedziału)pracy. Typowe wartości parametrów tranzystorów pracujących w układzie WE wynoszą: rezystancja wejściowa 505000 Ω, rezystancja wyjściowa 10500 kω, wzmocnienie prądowe 101000. 3.4.2 Przebiegpomiarów Układ doświadczalny Przyrządy: tranzystor krzemowy npn, dwa zasilacze, cztery mierniki uniwersalne, przewody, dodatkowy opór. Schemat układu doświadczalnego w układzie wspólnego emitera przedstawiony jest narysunku3.4.3.dodatkowyopornik Rpozwalanalepszesterowanieprądembazy I B. Należy również zdawać sobie sprawę z istniejących oporów wewnętrznych mierników uniwersalnych.
156 Elektryczność zasilacz A I B K B A I K R U BE V E U KE V zasilacz Rys. 3.4.3: Schemat układu doświadczalnego. Przebieg doświadczenia Zapoznać się z przyrządami i zmontować układ według schematu, a następnie sprawdzić układ przed jego włączeniem. Zmierzyć jednocześnie charakterystykę wejściową i przejściową. W tym celu należy ustawićnapięciekolektoremiter U EK przykładowona 3 V.Następniewykonaćpomiaryprądówbazy I B ikolektora I K orazkolejnoustawianychnapięć U BE.Abyotrzymać prawidłowąwartośćoporuwejściowego r wej należywykonaćpomiarygęściejwokolicy szybkiegowzrostuprądubazy,tj.powyżej U BE = 0.6 V.Zbadaćwpływdodatkowego oporu na układ. Zmierzyćkilkacharakterystykwyjściowych.Wtymceluustawićprądbazy I B przykładowona 1 ma.wykonaćpomiaryprądukolektora I k ikolejnoustawianych napięć U KE.Ewentualnewahania I B należyskorygowaćnapięciemnazasilaczupo stroniebazy.abyotrzymaćprawidłowąwartośćoporuwyjściowego r wyj należywykonać pomiary większej ilości punktów w obszarze słabego wzrostu prądu kolektora I K.Analogicznepomiarywykonaćdlainnejwartościprądubazy I B,przykładowodla 0.5 malub 1.5 ma. 3.4.3 Opracowaniewyników Wykonać wykresy czterech charakterystyk tranzystora. Osie wykresów powinny być opisane wraz z jednostkami. Na wszystkich wykresach zaznaczyć obszary, które pozwolą wyznaczyć interesujące nas parametry. Korzystając z regresji liniowej wyznaczyć: opór wejściowy(charakterystyka wejściowa), wzmocnienie prądowe(charakterystyka przejściowa) i dwie wartości oporu wyjściowego(z obu charakterystyk wyjściowych). Obliczyć niepewności wyznaczonych parametrów. Otrzymane wartości porównać z wartościami podanymi w katalogu tranzystorów. Przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników.