Cwiczenie_T1(2)

Wstęp
Celem ćwiczenia T1 jest poznanie właściwości statycznych tranzystorów: bipolarnego
oraz unipolarnego.
Teoria
Tranzystor bipolarny (dawniej: tranzystor warstwowy, tranzystor złączowy) to
odmiana tranzystora, półprzewodnikowy element elektroniczny, mający zdolność
wzmacniania sygnału. Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o różnym typie
przewodnictwa. Charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy dwiema jego
elektrodami (nazywanymi bazą i emiterem) steruje większym prądem płynącym między
innymi elektrodami (kolektorem i emiterem).
W normalnych warunkach pracy złącze kolektora jest spolaryzowane zaporowo.
Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia powoduje przepływ
prądu przez to złącze – nośniki z emitera (elektrony w tranzystorach npn lub dziury w
tranzystorach pnp) przechodzą do obszaru bazy (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje
nośniki). Nośników przechodzących w przeciwną stronę, od bazy do emitera jest niewiele, ze
względu na słabe domieszkowanie bazy. Nośniki wprowadzone z emitera do obszaru bazy
dyfundują w stronę mniejszej ich koncentracji - do kolektora. Dzięki niewielkiej grubości
obszaru bazy trafiają do obszaru drugiego złącza, a tu na skutek pola elektrycznego w
obszarze zubożonym są przyciągane do kolektora.
W rezultacie, po przyłożeniu do złącza emiterowego napięcia w kierunku
przewodzenia, popłynie niewielki prąd między bazą a emiterem, umożliwiający przepływ
dużego prądu między kolektorem a emiterem. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy
nazywany jest wzmocnieniem prądowym tranzystora i oznacza się grecką literą β.
Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang. Field Effect Transistor) –
tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego.
Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne,
które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana efektywnego
przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu dren-źródło.
W tranzystorach MOSFET z kanałem wzbogacanym gdy napięcie UGS między bramką
G a źródłem S jest równe zeru, rezystancja kanału jest bardzo duża (rzędu megaomów). Mówi
się wówczas, że kanał jest zatkany, ponieważ prąd dren-źródło ID praktycznie nie płynie. Po
przekroczeniu pewnej wartości napięcia UGS kanał zaczyna się stopniowo otwierać i w
obwodzie dren-źródło może płynąć prąd. Rezystancja między drenem D a źródłem S
zmniejsza się ze wzrostem napięcia UGS, ale nie do zera, tylko do pewnej minimalnej wartości
oznaczanej w katalogach jako RDSon. Wartość tej rezystancji zależy od maksymalnego napięcia
UDS jakie jest w stanie wytrzymać tranzystor i wynosi od 0,07 Ω do 4,0 Ω. Generalnie
tranzystory przeznaczone do pracy z mniejszymi napięciami mają niższą rezystancję RDSon[1].
Straty mocy w przewodzącym tranzystorze są proporcjonalne do prądu płynącego przez kanał
zgodnie ze wzorem:
Gdy prąd płynący przez kanał osiągnie wartość maksymalną dla danego napięcia dren-źródło,
mówi się, że kanał jest otwarty.
Dioda półprzewodnikowa to dwukońcówkowy element półprzewodnikowy.
Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych - typu n i
typu p, tworzących razem złącze p-n, lub z połączenia półprzewodnika z odpowiednim
metalem - dioda Schottky'ego. Końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do
obszaru p - anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu - od
anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).
Podstawową cechą diod półprzewodnikowych jest prostowanie (tj. umożliwianie
przepływu prądu tylko w jedną stronę) prądu przemiennego.
Sprzęt










Zasilacz Matrix MPS-3003L-3 (J3/011/T6-71)
Multimetr Metex M-4660A (J3-T6-261/5 oraz J3-T6-258/4) (V1)
Multimetr Metek M-4650 (J3-T6-264/5 oraz J3/M/1/4) (V2)
jw. (J3-T6-260/3 oraz J3-T6-257/3) (mA)
jw. (J3/M/1/9) (µA)
Źródło prądowe (ZŹS-03)
Tranzystory (T1-02)
Regulowany zasilacz napięcia ZN
Oscyloskop GOS-630 (J3-011-T6-59)
Generator funkcyjny DF1641A (J3-T6-263/1)
Opracowanie
Tabela 1 przedstawia charakterystykę wejściową i zwrotną tranzystora bipolarnego
bez obciążenia.
Wykres 1 przedstawia zależność IC=f(UCE, IB). Jak widać, charakteryzuje się ona
zależnością logarytmiczną. Wraz z wartością IB, wprost proporcjonalnie zmienia się wartość IC.
Wykres 2 przedstawia zależność UBE=m(UCE, IB). Jak widać, charakteryzuje się ona
zależnością logarytmiczną. Wraz z wartością IB, wprost proporcjonalnie zmienia się wartość
UBE.
UCE [V]
0,007
0,007
0,018
0,023
0,057
0,076
0,09
0,1
0,111
0,135
0,16
0,187
0,2
0,221
0,3
0,5
0,99
2,02
3
4
5
5,421
6
7
8
0,007
0,007
0,018
0,023
0,057
0,076
0,09
0,1
0,111
0,135
0,16
0,187
0,2
0,221
0,3
0,5
0,99
2,02
3
4
5
5,405
6
7
8
ΔUCE [V]
0,010035
0,010035
0,01009
0,010115
0,010285
0,01038
0,01045
0,0105
0,010555
0,010675
0,0108
0,010935
0,011
0,011105
0,0115
0,0125
0,01495
0,0201
0,025
0,03
0,035
0,037105
0,04
0,045
0,05
0,010035
0,010035
0,01009
0,010115
0,010285
0,01038
0,01045
0,0105
0,010555
0,010675
0,0108
0,010935
0,011
0,011105
0,0115
0,0125
0,01495
0,0201
0,025
0,03
0,035
0,037025
0,04
0,045
0,05
IB [µA]
ΔIB [µA]
50
0,18
120
0,39
UBE [V]
0,552
0,553
0,564
0,567
0,599
0,615
0,624
0,635
0,633
0,642
0,647
0,649
0,651
0,650
0,651
0,650
0,65
0,646
0,645
0,644
0,637
0,64
0,639
0,632
0,634
0,576
0,577
0,587
0,593
0,623
0,637
0,647
0,657
0,657
0,666
0,671
0,673
0,675
0,674
0,676
0,674
0,672
0,667
0,666
0,661
0,645
0,653
0,652
0,645
0,644
Tabela 1
ΔUBE [V]
0,003276
0,003277
0,003282
0,003284
0,0033
0,003308
0,003312
0,003318
0,003317
0,003321
0,003324
0,003325
0,003326
0,003325
0,003326
0,003325
0,003325
0,003323
0,003323
0,003322
0,003319
0,00332
0,00332
0,003316
0,003317
0,003288
0,003289
0,003294
0,003297
0,003312
0,003319
0,003324
0,003329
0,003329
0,003333
0,003336
0,003337
0,003338
0,003337
0,003338
0,003337
0,003336
0,003334
0,003333
0,003331
0,003323
0,003327
0,003326
0,003323
0,003322
IC [mA]
0
0
0,08
0,12
0,77
1,59
2,33
3,51
3,48
4,99
5,93
6,56
6,84
6,91
6,95
6,97
7,01
7,1
7,1
7,18
7,27
7,24
7,26
7,42
7,38
0
0
0,22
0,34
2,08
3,89
5,65
7,66
8,63
11,79
14,22
15,74
16,22
16,68
17,18
17,36
17,47
17,79
17,95
18,05
18,45
18,53
18,55
18,85
18,98
ΔIC [mA]
0,03
0,03
0,0304
0,0306
0,03385
0,03795
0,04165
0,04755
0,0474
0,05495
0,05965
0,0628
0,0642
0,06455
0,06475
0,06485
0,06505
0,0655
0,0655
0,0659
0,06635
0,0662
0,0663
0,0671
0,0669
0,03
0,03
0,0311
0,0317
0,0404
0,04945
0,05825
0,0683
0,07315
0,08895
0,1011
0,1087
0,1111
0,1134
0,1159
0,1168
0,11735
0,11895
0,11975
0,12025
0,12225
0,12265
0,12275
0,12425
0,1249
IC=f(UCE, IB)
20
IB=120µA
18
16
IC [mA]
14
12
10
IB=50µA
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
6
7
8
9
UCE [V]
Wykres 1
UBE=m(UCE, IB)
0.7
IB=120µA
0.68
0.66
UBE [V]
0.64
IB=50µA
0.62
0.6
0.58
0.56
0.54
0.52
0.5
0
1
2
3
4
5
UCE [V]
Wykres 2
UCE [V]
ΔUCE [V]
3
0,025
7
0,045
IB [µA]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
ΔIB [µA]
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,18
0,21
0,24
0,27
0,3
0,33
0,36
0,39
0,42
0,45
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,18
0,21
0,24
0,27
0,3
0,33
0,36
0,39
0,42
0,45
UBE [V]
0,522
0,605
0,624
0,634
0,641
0,646
0,650
0,653
0,656
0,658
0,660
0,662
0,664
0,665
0,665
0,520
0,603
0,62
0,629
0,634
0,638
0,641
0,641
0,644
0,645
0,645
0,644
0,643
0,642
0,641
ΔUBE [V]
0,003261
0,003303
0,003312
0,003317
0,003321
0,003323
0,003325
0,003327
0,003328
0,003329
0,00333
0,003331
0,003332
0,003333
0,003333
0,00326
0,003302
0,00331
0,003315
0,003317
0,003319
0,003321
0,003321
0,003322
0,003323
0,003323
0,003322
0,003322
0,003321
0,003321
IC [mA]
0,05
1,25
2,68
4,14
5,60
7,11
8,62
10,17
11,71
13,25
14,83
16,4
17,98
19,57
21,18
0,005
1,27
2,70
4,19
5,75
7,29
8,91
10,53
12,14
13,81
15,49
17,22
18,95
20,74
22,6
ΔIC [mA]
0,03025
0,03625
0,0434
0,0507
0,058
0,06555
0,0731
0,08085
0,08855
0,09625
0,10415
0,112
0,1199
0,12785
0,1359
0,030025
0,03635
0,0435
0,05095
0,05875
0,06645
0,07455
0,08265
0,0907
0,09905
0,10745
0,1161
0,12475
0,1337
0,143
Tabela 2
Tabela 2 przedstawia charakterystykę wejściową i przejściową tranzystora
bipolarnego.
Wykres 3 przedstawia zależność UBE=g(IB, UCE). Jak widać, charakteryzuje się ona
zależnością logarytmiczną. Wraz z wartością UCE, odwrotnie proporcjonalnie zmienia się
wartość UBE.
Wykres 4 przedstawia zależność IC=k(IB, UCE). Jak widać, charakteryzuje się ona
zależnością liniową. Wraz z wartością UCE, wprost proporcjonalnie zmienia się wartość IC.
UBE=g(IB, UCE)
0.68
UCE=3V
0.66
0.64
UCE=7V
UBE [V]
0.62
0.6
0.58
0.56
0.54
0.52
0.5
0
20
40
60
80
100
120
140
160
140
160
IB [µA]
Wykres 3
IC=k(IB, UCE)
25
20
UCE=7V
IC [mA]
15
UCE=3V
10
5
0
0
-5
20
40
60
80
IB [µA]
Wykres 4
100
120
wzmocnienie prądowe = 157,19 ± 0,39
wzmocnienie napięciowe = 0,002 ± 0,002
rezystancja wejściowa = 1000Ω ± 2Ω
UGS [V]
-3,5
-3,3
-3,1
-2,9
-2,7
-2,5
-2,3
-2,1
-1,9
-1,7
-1,5
-1,3
-1,1
-0,9
-0,7
-0,5
-0,3
-0,1
-0,02
-3,5
-3,3
-3,1
-2,9
-2,7
-2,5
-2,3
-2,1
-1,9
-1,7
-1,5
-1,3
-1,1
-0,9
-0,7
-0,5
-0,3
-0,1
-0,02
Δ UGS [V]
0,00125
0,00135
0,00145
0,00155
0,00165
0,00175
0,00185
0,00195
0,00205
0,00215
0,00225
0,00235
0,00245
0,00255
0,00265
0,00275
0,00285
0,00295
0,00299
0,00125
0,00135
0,00145
0,00155
0,00165
0,00175
0,00185
0,00195
0,00205
0,00215
0,00225
0,00235
0,00245
0,00255
0,00265
0,00275
0,00285
0,00295
0,00299
ID [mA]
0
0,04
0,17
0,43
0,75
1,17
1,62
2,16
2,72
3,32
3,91
4,6
5,31
6,04
6,78
7,57
8,39
9,20
9,72
0
0,05
0,22
0,48
0,85
1,27
1,74
2,33
2,94
3,56
4,23
4,93
5,68
6,49
7,34
8,13
9,04
9,92
10,51
Tabela 3
ΔID [mA]
0,03
0,0302
0,03085
0,03215
0,03375
0,03585
0,0381
0,0408
0,0436
0,0466
0,04955
0,053
0,05655
0,0602
0,0639
0,06785
0,07195
0,076
0,0786
0,03
0,03025
0,0311
0,0324
0,03425
0,03635
0,0387
0,04165
0,0447
0,0478
0,05115
0,05465
0,0584
0,06245
0,0667
0,07065
0,0752
0,0796
0,08255
UDS [V]
ΔUDS [V]
3
0,0045
7
0,0065
12
ID=f(UGS, UDS)
10
8
UDS=3V
ID [mA]
6
4
2
UDS=7V
0
-4
UGSOFF
-3.5=-3,5V
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
UGS [V]
0
-2
Wykres 5
Tabela 3 przedstawia charakterystykę przejściową tranzystora unipolarnego.
Wykres 5 przedstawia wykładniczą zależność ID=f(UGS, UDS), gdzie wartość UDS jest
odwrotnie proporcjonalna do wartości ID. Napięcie UGSOFF=-3,5V.
UGS [V]
Δ UGS [V]
-3
0,0015
-1
0,0025
ID [mA]
0,01
0,02
0,062
0,078
0,095
0,122
0,158
0,185
0,2
0,228
0,252
0,3
0,363
0,394
0,442
0,516
0,583
0,744
0,820
0,954
1,173
1,358
1,612
1,903
2,3
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
10
10,5
0,02
0,035
0,051
0,072
0,09
0,129
ΔID [mA]
0,03005
0,0301
0,03031
0,03039
0,030475
0,03061
0,03079
0,030925
0,031
0,03114
0,03126
0,0315
0,031815
0,03197
0,03221
0,03258
0,032915
0,03372
0,0341
0,03477
0,035865
0,03679
0,03806
0,039515
0,0415
0,045
0,0475
0,05
0,0525
0,055
0,0575
0,06
0,0625
0,065
0,0675
0,07
0,0725
0,075
0,0775
0,08
0,0825
0,0301
0,030175
0,030255
0,03036
0,03045
0,030645
UDS [V]
0,022
0,04
0,04
0,05
0,05
0,07
0,08
0,09
0,1
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
0,17
0,18
0,19
0,2
0,21
0,22
0,23
0,24
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,3
0,3
0,31
0,31
0,32
0,32
0,33
0,33
0,34
0,34
0,34
0,35
0,35
0,006
0,15
0,23
0,32
0,4
0,58
ΔUDS [V]
0,003011
0,00302
0,00302
0,003025
0,003025
0,003035
0,00304
0,003045
0,00305
0,003055
0,00306
0,003065
0,00307
0,003075
0,00308
0,003085
0,00309
0,003095
0,0031
0,003105
0,00311
0,003115
0,00312
0,003125
0,00313
0,003135
0,00314
0,003145
0,00315
0,00315
0,003155
0,003155
0,00316
0,00316
0,003165
0,003165
0,00317
0,00317
0,00317
0,003175
0,003175
0,003003
0,003075
0,003115
0,00316
0,0032
0,00329
0,155
0,172
0,227
0,240
0,258
0,326
0,361
0,383
0,414
0,446
0,494
0,523
0,599
0,696
0,774
0,821
0,897
0,962
1,05
1,122
1,213
1,398
1,551
1,721
1,817
1,928
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
10
Tabela 4
0,030775
0,03086
0,031135
0,0312
0,03129
0,03163
0,031805
0,031915
0,03207
0,03223
0,03247
0,032615
0,032995
0,03348
0,03387
0,034105
0,034485
0,03481
0,03525
0,03561
0,036065
0,03699
0,037755
0,038605
0,039085
0,03964
0,04
0,0425
0,045
0,0475
0,05
0,0525
0,055
0,0575
0,06
0,0625
0,065
0,0675
0,07
0,0725
0,075
0,0775
0,08
0,68
0,76
0,99
1,04
1,12
1,39
1,53
1,61
1,74
1,85
2,03
2,13
2,4
2,71
2,95
3,09
3,30
3,47
3,69
3,86
4,05
4,4
4,63
4,86
4,96
5,07
5,2
5,46
5,64
5,75
5,83
5,9
5,93
5,97
6
6,03
6,05
6,06
6,07
6,09
6,09
6,1
6,12
0,00334
0,00338
0,003495
0,00352
0,00356
0,003695
0,003765
0,003805
0,00387
0,003925
0,004015
0,004065
0,0042
0,004355
0,004475
0,004545
0,00465
0,004735
0,004845
0,00493
0,005025
0,0052
0,005315
0,00543
0,00548
0,005535
0,0056
0,00573
0,00582
0,005875
0,005915
0,00595
0,005965
0,005985
0,006
0,006015
0,006025
0,00603
0,006035
0,006045
0,006045
0,00605
0,00606
ID=g(UDS, UGS)
7
6
UGS=-1V
ID[mA]
5
4
3
2
UGS=-3V
1
0
0
2
4
6
8
10
12
UDS [V]
Wykres 6
Tabela 4 przedstawia charakterystykę wyjściową tranzystora unipolarnego.
Wykres 6 przedstawia logarytmiczną zależność ID=g(UDS, UGS), gdzie wartość UGS jest
wprost proporcjonalna do wartości ID.
Nastawy woltomierza: 1V/DIV oraz 10mV/DIV
Porównując poniższe oscylogramy z wykresem 6 można zauważyć, że zbadana
charakterystyka jest wiarygodna.
-3,5V
-2V
-1,3V
-0,781V