Laboratorium elektroniki i miernictwa Ćwiczenie T1

150946

Numer indeksu

Michał Moroz

Imię i nazwisko

151021

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:

Streszczenie

Sprawozdanie z ćwiczenia, którego celem było wyznaczenie właściwości statycznych dla tranzystora bipolarnego typu NPN w układzie wspólnego emitera oraz unipolarnego z kana- łem 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 1.1.1 i 1.1.2. W tranzystorze bipolarnym wyróżnia się trzy wyprowadzenia - bazę (B), kolektor (C) i emiter (E), jak zostało to oznaczone na rysunku 1.

NPN PNP

B E C

C E

B

T1 T2

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 po- przez 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 nie-

jednorodnym rozłożeniem domieszek w strukturze tranzystora. Tranzystory o niejednorodnym

rozłożeniu domieszek nazywane są epiplanarnymi.

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.

1.1.1 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.

1.1.2 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.

h21 * Ib CS1

h12 * Uce h11

h 2 2

COLLECTOR BASE

EMITTER

VS1 R1

R 2

J1

J2 J3

J4

~

Rysunek 2: Schemat zastępczy dla modelu hybrydowego.

Tranzystor w układzie wspólnego emitera jest tu przedstawiony jako czwórnik, którego ele- mentami 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.

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 =

 ∂U BE

∂I _B



U

=const

(3)

h 12e =

 ∂U BE

∂U _CE



I

=const

(4)

h 21e =

 ∂I C

∂I _B



U

=const

(5)

h 22e =

 ∂I C

∂U _CE



I

=const

(6) Przedstawiony model nie jest idealny, przykładowo nie obejmuje swoją definicją pojemności, która występuje w tranzystorach i której wpływ jest bardzo widoczny przy wysokich częstotli- wościach (rzędu kilkudziesięciu MHz i wyższych).

1.3 JFET - złączowy tranzystor polowy

Tranzystor polowy złączowy z kanałem typu n (którego symbol przedstawiony jest na rysun- ku 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 sil- nie domieszkowanego półprzewodnika typu p nie rozdziela, tak jak w tranzystorach bipolarnych, źródła i drenu, ale znajduje się obok kanału przewodzenia.

G S D

T1

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 efek- cie 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 tranzy- stora, stąd nazwa FET (Field Effect Transistor ).

Podstawową różnicą w działaniu tranzystora bipolarnego i unipolarnego jest to, że bram- ka 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.

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, ze- społu 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 14.

2.1 Pomiary tranzystora bipolarnego

Na rysunku 4 został przedstawiony schemat urządzenia przeznaczonego do badania charak- terystyk tranzystora bipolarnego. Podczas wszystkich pomiarów za pomocą tego układu wyko- rzystywane 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.

Z N

M-4650

M-4650

M -4 6 6 0 A

M -4 6 6 0 A

ZZS-05 CS1

T1

+-

G 1

A1

A2

V 2 V 2

V 1 V 1

A

A

V

V

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 poglądo-

wymi.

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 śred- nią i na średni błąd średniej. Możemy założyć, że średni błąd średniej zastąpi inne błędy pomia- rowe ze względu na dużą ilość pomiarów podczas każdego badania.

x = ¯ 1 n

n

X

i=1

x _i (7)

∆¯ x = v u u u t

n

P

i=1

(x _i − ¯ x) ²

n (n − 1) (8)

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.

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)

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.

Rysunek 5: Wykres charakterystyk wyjściowych badanego tranzystora.

Rysunek 6: Wykres charakterystyk przejściowych badanego tranzystora – zależność napięciowa.

Rysunek 7: Wykres charakterystyk wejściowych badanego tranzystora.

Rysunek 8: Wykres charakterystyk przejściowych badanego tranzystora – zależność prądowa.

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 ukła- dzie 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 war- tościach 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.

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.

Z N

M-4650

M -4 6 6 0 A

M -4 6 6 0 A

Z Z S -0 5

G 1

A2

V 2 V 2

V 1 V 1

Q1

+-

G 2

A

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

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.

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.

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.

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.

M -4 6 6 0 A

Z Z S -0 5

GND

DF1641A

GND GND

UY+

UY-

UX+

UX-

GND

V 1 V 1

Q1

+-

G 2 R 1

G1

J1

J2

J3

J4

V

~

Rysunek 14: Schemat urządzenia pomiarowego do badania charakterystyki wyjściowej tranzy- stora polowego.

Korzystając z generatora funkcyjnego oraz oscyloskopu , czy nasze wcześniejsze przewidy- wania 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

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

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 sy- gnał bez zmiany jego kształtu lub z niewielkimi zniekształceniami, co jest przyczyną ich wszech- stronnych 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 porów- naniu 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 napię- cia) 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 Łódz- kiej, Łódź 2002.

[2] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki, Tom 3., Wydawnictwo Na- ukowe PWN, Warszawa 2005.

[3] S. M. Kaczmarek, PRZEBICIE I MODELE ZŁĄCZA p-n

http://www.skaczmarek.ps.pl/Wyk5_el.pdf