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 p-n;
– budowa i zasada działania tranzystora;
– charakterystyki tranzystora w układzie WE;
– układy pracy tranzystora.
Literatura podstawowa: [2], [4], [19].
3.4.1 Podstawowe pojęcia i definicje Półprzewodniki
Półprzewodniki są to ciała stałe charakteryzujące się tym, że ich przewodność elek- tryczna rośnie w szerokim zakresie wraz z temperaturą i wykazuje wrażliwość na nie- zmiernie małe ilości niektórych domieszek. Grupa tych materiałów ze względu na prze- wodnictwo 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 najbliższy- mi sąsiadami, a para elektronów - po jednym z dwu sąsiadujących atomów - wytwarza wiązanie kowalencyjne. Zjawiska zachodzące w metalach, półprzewodnikach i izolato- rach 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 pasmo wa- lencyjne jest całkowicie zapełnione, a pasmo przewodnictwa całkowicie puste (rysunek 3.4.1a). Oba pasma rozdziela przerwa energetyczna rzędu 1 eV . Pod wpływem wzbu- dzeń termicznych, naświetlania lub przyłożenia silnego pola elektrycznego elektrony z pasma walencyjnego mogą uzyskać dodatkową energię, wystarczającą do przekrocze- nia 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 pa- śmie przewodnictwa. W ten sposób półprzewodnik samoistny może przewodzić prąd elektryczny, który składa się z prądu elektronowego w paśmie przewodnictwa i prą- du 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 ato- mów znajdzie się atom z trzeciej grupy (ind, bor), to jedno z wiązań atomu germanu pozostanie niewysycone, gdyż atom domieszki ma o jeden elektron mniej niż atom
a) b) c)
Ge Ge Ge
Ge Ge Ge
Ge Ge Ge
Ge Ge Ge
Ge In Ge
Ge Ge Ge
Ge Ge Ge
Ge As Ge
Ge Ge Ge
pasmo walencyjne pasmo przewodnictwa
pasmo walencyjne pasmo przewodnictwa
pasmo walencyjne pasmo przewodnictwa
poziom akceptorowy
poziom donorowy przerwa energetyczna
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 i donorowe.
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, an- tymon), cztery z jego elektronów walencyjnych tworzą wiązania z sąsiednimi atomami germanu, a piąty jest bardzo słabo związany (rysunek 3.4.1c). Nieduża energia wy- starcza, aby przenieść ten elektron do pasma przewodnictwa. Domieszki tego rodzaju nazywają się donorami, a półprzewodnik jest typu n (negative).
Złącze p-n
Złączem p-n nazywamy granicę istniejącą w półprzewodniku między dwoma ob- szarami typu p i typu n. Można go utworzyć nawet z jednego półprzewodnika przez odpowiednie domieszkowanie.
W temperaturach wyższych od zera bezwzględnego znaczna część poziomów do- mieszkowych 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 tworze- nia oraz rekombinacji nośników.
p n
- + - + + - - + - + + - - + - +
Rys. 3.4.2: Złącze p-n.
Na skutek zetknięcia obu części półprzewodnika zaczyna wyrównywać się stężenie nośników większo- ściowych w każdym z pasm. W paśmie przewodnic- twa elektrony płyną z n do p, a w paśmie walencyj- nym dziury z p do n. Po stronie p pojawia się war- stwa ładunku ujemnego, a po stronie n dodatniego (rysunek 3.4.2). Między tymi warstwami powstaje próg potencjału, przeciwdziałajacy dalszemu prze- chodzeniu tych nośników. Przechodzenie dziur z ob- szaru typu p do obszaru typu n oraz elektronów w kierunku odwrotnym, a więc do obszarów, w któ- rych stają się one nośnikami mniejszościowymi, na- zywa się wstrzykiwaniem nośników.
Jeżeli do półprzewodnika typu n przyłożymy dodatni (w stosunku do półprzewod- nika 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. Od- miennie zachowuje się złącze przy polaryzacji odwrotnej, gdy potencjał dodatni jest przyłożony do półprzewodnika typu p. Teraz bariera potencjału obniża się, co sprzy- ja 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). Tranzysto- rem bipolarnym nazywamy układ złożony z trzech warstw półprzewodnika, ułożonych w kolejności pnp lub npn. Poszczególne warstwy tranzystora nazywamy emiterem E, bazą B i kolektorem K.
Złącze EB polaryzujemy w kierunku przewodzenia, a złącze BK w kierunku zapo- rowym. W obszarze emitera prąd jest głównie przenoszony przez nośniki większościowe.
Przechodzą one do bazy, gdzie jako nośniki mniejszościowe dyfundują do kolektora. Je- żeli 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 charak- terystyczną jest wspólna jedna z elektrod. Możliwa jest praca w układzie ze wspólnym emiterem W E, ze wspólną bazą W B oraz ze wspólnym kolektorem W K. Przydat- ność tranzystora do celów praktycznych określa się za pomocą parametrów, takich
jak współczynnik wzmocnienia prądowego β, opór wejściowy rwej, czy opór wyjściowy rwyj:
β = ∂IK
∂IB
UKE
, (3.4.1)
rwej= ∂UBE
∂IB
UKE
, (3.4.2)
rwyj = ∂UKE
∂IK
IB
. (3.4.3)
Charakterystyki tranzystora w układzie W E
Charakterystyki tranzystorów podają wzajemne zależności pomiędzy prądami prze- pływającymi 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:
– charakterystyka wejściowa IB = f (UBE) przy UKE = const - krzywa jest cha- rakterystyką diody utworzonej przez złącze EB. Z charakterystyki obliczamy parametr rwej dla określonego punktu (przedziału) pracy;
– charakterystyka przejściowa IK = f (IB) przy UKE = const - zależność jest na całej długości prawie linią prostą, więc można przyjąć, że prąd kolektora IK jest proporcjonalny do prądu bazy IB. Z charakterystyki obliczamy parametr β;
– charakterystyka wyjściowa IK = f (UKE) przy IB = const - prąd IK szybko osiąga swoją stałą wartość. Jest to spowodowane zjawiskiem nasycenia, gdyż po- wyżej pewnego napięcia UKE wszystkie nośniki ładunku elektrycznego, pobudzo- ne napięciem UKE, biorą udział w tworzeniu prądu kolektora. Z charakterystyki obliczamy parametr rwyj dla określonego punktu (przedziału) pracy.
Typowe wartości parametrów tranzystorów pracujących w układzie WE wynoszą:
rezystancja wejściowa 50-5000 Ω, rezystancja wyjściowa 10-500 kΩ, wzmocnienie prą- dowe 10-1000.
3.4.2 Przebieg pomiarów Układ doświadczalny
Przyrządy: tranzystor krzemowy npn, dwa zasilacze, cztery mierniki uniwersalne, przewody, dodatkowy opór.
Schemat układu doświadczalnego w układzie wspólnego emitera przedstawiony jest na rysunku 3.4.3. Dodatkowy opornik R pozwala na lepsze sterowanie prądem bazy IB. Należy również zdawać sobie sprawę z istniejących oporów wewnętrznych mierników uniwersalnych.
zasilacz zasilacz A A
V V R
I
BB K I
KU
KEU
BEE
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 ustawić napięcie kolektor-emiter UEK przykładowo na 3 V . Następnie wykonać pomia- ry prądów bazy IB i kolektora IK oraz kolejno ustawianych napięć UBE. Aby otrzymać prawidłową wartość oporu wejściowego rwejnależy wykonać pomiary gęściej w okolicy szybkiego wzrostu prądu bazy, tj. powyżej UBE = 0.6 V . Zbadać wpływ dodatkowego oporu na układ.
Zmierzyć kilka charakterystyk wyjściowych. W tym celu ustawić prąd bazy IB
przykładowo na 1 mA. Wykonać pomiary prądu kolektora Ik i kolejno ustawianych napięć UKE. Ewentualne wahania IB należy skorygować napięciem na zasilaczu po stronie bazy. Aby otrzymać prawidłową wartość oporu wyjściowego rwyj należy wy- konać pomiary większej ilości punktów w obszarze słabego wzrostu prądu kolektora IK. Analogiczne pomiary wykonać dla innej wartości prądu bazy IB, przykładowo dla 0.5 mA lub 1.5 mA.
3.4.3 Opracowanie wyników
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 wej- ściowa), 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 otrzyma- nych wyników.
