Dvikrūvių arba bipoliariųjų tranzistorių tyrimas

Darbo tikslas. Tyrinėti ir pagrįsti dvikrūvio tranzistoriaus veikimo principus ir savybes, įvairių tranzistoriaus junginių VACh ir parametrus, įvertinti tranzistoriaus teorinių ar matematinių modelių ir realių tranzistorių atitikimo laipsnį. Išmokti praktiškai apriboti tranzistoriaus darbą leidžiamųjų būvių ar režimų ribose. Patyrinėti ir pagrįsti tranzistoriaus darbą paprasčiausiose elektroninėse grandinėse, t.y. tranzistoriaus kaip grandinių teorijos srovės šaltinio, elektroninio jungiklio, stiprinimo elemento ir kaip signalo invertoriaus darbą. Išmokti naudotis tranzistorių žinynais. Teorinė santrauka. Dvikrūviai tranzistoriai yra trisluoksniai puslaidininkiniai komponentai, turintys dvi PN sandūras ir tris išvadus. Dvikrūviai tranzistoriai gaminami dviejų tipų: NPN ir PNP struktūrų. Išvadai vadinami emiteriu, baze ir kolektoriumi. Dvikrūvių tranzistorių grafiniai schemų ženklai parodyti 1 paveiksle. a) b) 1 pav. Dvikrūvių tranzistorių grafiniai schemų ženklai: NPN struktūros (a). PNP struktūros (b) Konstrukcija ir darbo režimai Pagal gamybos būdą dvikrūviai tranzistoriai skirstomi į difuzinius, epitaksinius, planariuosius. Planariojo dvikrūvio NPN tranzistoriaus struktūra parodyta 2 paveiksle Tranzistoriaus išvadai prijungti prie puslaidininkinių kristalų per labai mažos varžos kontaktus. Sandūra tarp emiterio ir bazės vadinama emiterio sandūra, sandūra tarp kolektoriaus ir bazės – kolektoriaus sandūra. Paprastai emiterio sritis labai legiruojama, bazė suformuojama labai plona. Aiškinant veikimo principą, galima remtis paprasčiausiu tranzistoriaus modeliu, kurį sudaro trys NPN sritys ir dvi PN sandūros (3 pav). 2 pav. Planariojo dvikrūvio NPN tranzistoriaus struktūra 3 pav. Supaprastinta dvikrūvio NPN tranzistoriaus struktūra Priklausomai nuo to, kuris tranzistoriaus išvadas parenkamas bendras įėjimui ir išėjimui, skiriami trys dvikrūvio tranzistoriaus jungimo atvejai: bendrosios bazės, bendrojo emiterio ir bendrojo kolektoriaus. Pagal PN sandūrų įtampų poliškumą galimi keturi tranzistoriaus darbo režimai: stiprinimo - kai emiterio sandūrą veikia tiesioginė įtampa, o kolektoriaus - atvirkštinė įtampa; uždarymo - kai abi sandūras veikia atvirkštinė įtampa; soties - kai abi sandūras veikia tiesioginė įtampa; inversinis - kai emiterio sandūrą veikia atvirkštinė, o kolektoriaus sandūrą - tiesioginė įtampa. Tranzistoriaus bendrosios bazės junginys Tarkim, NPN tranzistorius įjungtas pagal bendrosios bazės junginį ir dirba stiprinimo režimu (4 pav.). Prijungus tiesioginę įtampą prie emiterio sandūros (maitinimo šaltinio minusas prie N srities emiterio ir pliusas prie P srities bazės), iš N srities į P sritį injektuojami elektronai, o iš P srities į N sritį - skylės. Atvirkštine kryptimi įjungus kolektoriaus sritį, susiformuoja plati PN sandūra. Kadangi emiterio sritis labai legiruota, o bazės sritis labai plona, dauguma iš emiterio srities injektuotų į bazės sritį elektronų difunduoja link kolektoriaus srities ir, veikiami kolektoriaus sandūros potencialo barjero, pereina į kolektoriaus sritį (5 pav., b). Tik labai maža dalis elektronų rekombinuoja bazėje. 4 pav. Dvikrūvio tranzistoriaus bendrosios bazės junginys 5 pav. NPN dvikrūvio tranzistoriaus energijos juostų diagramos nesant įtampų (a) ir veikiant įtampoms (b) Pagal Kirchhofo srovių dėsnį emiterio srovė iE=iB+iK čia iB - bazės srovė; iK - kolektoriaus srovė. Dėl krūvininkų rekombinacijos bazėje iK >1. Paprastai β =20-500. Įtampos perdavimo koeficientas Ku bendrojo emiterio junginyje būna gerokai didesnis už vienetą. Atitinkamai galios stiprinimo koeficientas KU gaunamas labai didelis. Taigi bendrojo emiterio junginys stiprina srovę, įtampą ir galią. Tranzistoriaus bendrojo kolektoriaus junginys Kai kolektorius yra bendras įėjimui ir išėjimui, tai išėjimo įtampa čia ubk - bazės ir kolektoriaus įtampa; UEB - emiterio ir bazės įtampa. Kadangi emiterio ir bazės įtampa yra labai maža, palyginti su bazės ir kolektoriaus įtampa, tai Uek≈Ubk. Atitinkamai įtampos stiprinimo koeficientas KU bendrojo kolektoriaus junginyje yra artimas vienetui. Bendrojo kolektoriaus junginys dar vadinamas emiteriniu kartotuvu arba įtampos kartotuvu, nes emiterio išvade gaunamas išėjimo signalas yra beveik tokios pat amplitudės ir tokios pat fazės, kaip ir į bazę patenkantis įėjimo signalas. Srovės perdavimo koeficientas Kadangi emiterio srovės perdavimo koeficientas α artimas vienetui, tai l-α > 1. Atitinkamai galios stiprinimo koeficientas KU>> 1. Taigi bendrojo kolektoriaus junginys stiprina srovę ir galią. 5.5. Dvikrūvio tranzistoriaus charakteristikos Bendrosios bazės junginio įėjimo charakteristika iE=f(uEB) mažai priklauso nuo kolektoriaus ir bazės įtampos: didėjant kolektoriaus atvirkštinei įtampai, įėjimo srovė stiprėja, nes didėja kolektoriaus sandūros storis, plonėja bazė, didėja į bazę injektuotų šalutinių krūvininkų gradientas ir stiprėja per emiterio sandūrą tekanti difuzinė srovė. Dvikrūvio tranzistoriaus bendrosios bazės junginio įėjimo voltamperinė charakteristika parodyta 6 paveiksle, a. 6 pav. Dvikrūvio tranzistoriaus bendrosios bazės junginio įėjimo (a) ir išėjimo (b) voltamperinės charakteristikos Bendrosios bazės junginio išėjimo voltamperinės charakteristikos iK=f(uKB) parametras yra emiterio srovė. Kai iE=0, kolektoriaus grandine teka silpna sandūros atvirkštinė srovė (5.6 pav., b). Tekant emiterio srovei, kolektoriaus srovė sustiprėja ir jos dydis artimas emiterio srovei, nes krūvininkai, injektuoti iš emiterio į bazę, beveik visi pereina ploną bazę, pasiekia kolektoriaus sandūrą ir pereina į kolektorių, kai nedidelė krūvininkų dalis rekombinuoja bazėje. Kolektoriaus srovė nepriklauso nuo kolektoriaus įtampos. Kolektoriaus srovė teka net tada, kai kolektoriaus ir bazės įtampa lygi nuliui. Taip yra todėl, kad ir nesant išorinės įtampos kolektoriaus PN sandūroje susikuria vidinis kontaktinis potencialų skirtumas, kuris ir perkelia šalutinius krūvininkus iš bazės į kolektorių. Didėjant kolektoriaus įtampai, šiek tiek didėja kolektoriaus srovė, nes, didėjant kolektoriaus atvirkštinei įtampai, plonėja bazė, silpnėja rekombinacinė bazės srovė ir didėja emiterio srovės perdavimo koeficientas. Gerokai padidinus kolektoriaus įtampą, kolektoriaus srovė ima sparčiai didėti dėl kolektoriaus sandūros pramušimo. Bendrojo emiterio junginio atveju įėjimo (bazės) srovė silpnėja, didinant išėjimo įtampą. Didėjant išėjimo įtampai, plečiasi kolektoriaus sandūra, plonėja bazė ir silpnėja rekombinacinė srovė. Dvikrūvio tranzistoriaus bendrojo emiterio junginio įėjimo charakteristika parodyta 7 paveiksle, a. 7 pav. Dvikrūvio tranzistoriaus bendrojo emiterio junginio įėjimo (a) ir išėjimo (b) voltamperinės charakteristikos Bendrojo emiterio junginio išėjimo charakteristikos iK=f(uKE) parametras yra bazės srovė(7 pav., b). Tekant bazės srovei ir esant nulinei kolektoriaus ir emiterio įtampai, kolektoriaus srovė netekės, nes bazės potencialas kompensuos kolektoriaus sandūros vidinį kontaktinį potencialų skirtumą. Kai prijungta kolektoriaus ir emiterio įtampa, kolektoriaus srovė yra gerokai stipresnė už bazės srovę, nes bendrojo emiterio junginyje srovės perdavimo koeficientas daug didesnis už vienetą. Išėjimo charakteristikos yra beveik horizontalios, o nežymus kolektoriaus srovės didėjimas, didėjant kolektoriaus įtampai, yra paaiškinamas bazės moduliacija arba Erlio reiškiniu. Didėjant kolektoriaus sandūros įtampai, plonėja bazė, iš emiterio į bazę injektuoti krūvininkai greičiau pasiekia kolektoriaus sandūrą ir mažesnė jų dalis rekombinuoja bazėje, stiprėja kolektoriaus srovė. Padidėjus kolektoriaus įtampai, kolektoriaus srovė didėja dėl kolektoriaus sandūros pramušimo (8 pav.). 8 pav. Kolektoriaus sandūros pramušimo įtaka išėjimo charakteristikoms Dvikrūvio tranzistoriaus H parametrų sistema Dvikrūvių tranzistorių darbui apibūdinti naudojama plačiausiai paplitusi hibridinė H parametrų sistema. Tranzistorius nagrinėjamas kaip aktyvusis tiesinis keturpolis, kurio įėjimo įtampa u1, įėjimo srovė i1, išėjimo įtampa u2, išėjimo srovė i2. Ryšys tarp srovių ir įtampų aprašomas lygčių sistema: čia h11 - tranzistoriaus įėjimo varža; h12 - įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas; h21 - srovės perdavimo koeficientas; h22 - išėjimo laidumas. Kai dvikrūvis tranzistorius įjungtas į grandinę pagal bendrosios bazės schemą, šiose lygtyse galioja šie pakeitimai: i1 = iE; i2 =ik; u1 - uEB; u2 = ukb. Tada tranzistoriaus H parametrų lygčių sistemą galima užrašyti taip: Šiose lygtyse H parametrai nustatomi taip: Analogiškai užrašoma H parametrų lygčių sistema ir H parametrai bendrojo emiterio jungimui: H parametrų sistema apima dydžius, kurie geriausiai apibūdina srove valdomo komponento fizikinius procesus. Į šią sistemą tiesiogiai įeina svarbiausias tranzistoriaus parametras - srovės perdavimo koeficientas. Be to, H parametrai nesudėtingai išmatuojami arba apskaičiuojami iš voltamperinių charakteristikų. Dvikrūvių tranzistorių matematiniai modeliai ir atstojamosios grandinės Vienas iš populiariausių dvikrūvių tranzistorių modelių yra Eberso ir Molo modelis (Ebers-Moll model). NPN tipo tranzistoriaus atstojamoji schema parodyta 9 paveiksle. Tai netiesinis stipriųjų signalų statinio režimo modelis - Eberso ir Molo modelio injekcinis variantas. Diodais modeliuojamos emiterio ir kolektoriaus sandūros. 9 pav. Injekcinio Eberso ir Molo modelio atstojamoji grandinė Atstojamosios grandinės emiterio ir kolektoriaus srovių stiprius galima užrašyti taip: čia α - srovės perdavimo koeficientas; αi - inversinis srovės perdavimo koeficientas. 5.9 paveikslo diodų srovės i1 ir i2 apskaičiuojamos taip: čia IEs - atvirkštinė emiterio sandūros soties srovė; q - elektrono krūvis; uEB - emiterio ir bazės įtampa; NE - emiterio sandūros emisijos koeficientas; T - Kelvino temperatūra; ICs - atvirkštinė kolektoriaus sandūros soties srovė; ukb - kolektoriaus ir bazės įtampa; Nc - kolektoriaus sandūros emisijos koeficientas. Išsamiau nagrinėjant tranzistoriaus veikimo principą, įrodoma, kad Todėl kolektoriaus srovė gali būti išreikšta taip: Be bendrosios bazės junginio srovės perdavimo koeficientų α ir α 1 dažnai naudojami tiesioginis ir inversinis bendrojo emiterio junginio srovės perdavimo koeficientai β ir β1: Kitas Eberso ir Molo modelio atstojamosios schemos variantas parodytas 10 paveiksle. 10 pav. Kitas Eberso ir Molo modelio atstojamosios grandinės variantas Dvikrūvio tranzistoriaus ribiniai parametrai Dvikrūvio tranzistoriaus darbą riboja didžiausi leistini parametrai, kuriuos viršijus puslaidininkis sugadinamas. Tranzistoriaus ribiniai parametrai yra šie: didžiausia leistina kolektoriaus srovė ICmax; didžiausia leistina kolektoriaus ir bazės įtampa UCBmax; didžiausia leistina emiterio srovė IEmax; didžiausia leistina bazės srovė IBmax; didžiausia leistina kolektoriaus ir emiterio įtampa UCEmax; didžiausia leistina galia Pmax: čia PCmax - didžiausia leistina kolektoriaus galia. Didelės galios tranzistoriai tvirtinami prie specialių radiatorių, skirtų aušinti. Didžiausia leistina kolektoriaus galia, didžiausia leistina kolektoriaus srovė ir didžiausia leistina kolektoriaus įtampa apibrėžia leistinąją dvikrūvio tranzistoriaus darbo sritį. Tiriamasis tranzistorius: 2SA970 Tranzistoriaus duomenys: Low Noise :NF = 3dB(Typ.) Rg = 100Ω, Vce=-6V, IC=-100μA, f=lkHz :NF = 0.5dB(Typ.) RG = lkΩ, VCE=-6V, IC=-100 μ A, f=lkHz High DC Current Gain : hFE = 200-700 High Breakdown Voltage : VCeo=-120V Low Pulse Noise. Low 1 / f Noise MAXIMUM RATINGS (Ta=25°C) 1. EMITTER 2. COLLECTOR 3. BASE CHARACTERISTIC SYMBOL RATING UNIT Collector-Base Voltage VCBO -120 V Collector-Emitter Voltage VCEO -120 V Emitter-Base Voltage VEBO -5 V Collector Current Ic -100 mA Base Current IB -20 mA Collector Power Dissipation PC 300- mW Junction Temperature Tj 125 °C Storage Temperature Range Tstg -55-125 °C ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Ta = 25°C) CHARACTERISTIC SYMBOL TEST CONDITION MIN. TYP. MAX. UNIT Collector Cut-off Current ICBO VCB=-120V, IE = 0 — — -0.1 μA Emitter Cut-off Current Iebo VEB=-5V, Ic = 0 — — -0.1 μA Collector-Emitter Breakdown Voltage V (BR) CEO lC=-lmA, Ib = 0 -120 — . — V DC Current Gain hFE (Note) VCE=-6V,Ic=-2mA 200 — 700 Collector-Emitter Saturation Voltage VCE (sat) IC = — 10mA, Ijj = — 1mA — — -0.3 V Base-Emitter Voltage VBE VCE=-6V, IC=-2mA — 0.65 — V Transition Frequency ft VCE=-6V,IC=-lmA — 100 — MHz Collector Output Capacitance Cob VCB=-10V, IE = 0, f=lMHz — 4.0 — PF Noise Figure NF VCE= -6V, IC= -0.1mA, f=10Hz, RG = 10kΩ — — 6 dB VCE= -6V, Ic= -0.1mA, f=lkHz, RG = 10kfl — — 2 VCE=-6V, IC=-0.1mA, f=lkHz, Rg = 100Ω — 3 — Teorinė tranzistoriaus VACh: a) b) Teorinės tranzistoriaus VACh skaičiuojant iki: a) uKB=0,5 V, b) uKB=15 V Tranzistoriaus leidžiamųjų režimų diagrma Sujungiamas tyrimų grandynas (1 pav.) 1 pav. Tiriama grandinė Išmatuojamos BB junginio statines išėjimo VACh, esant trims emiterio srovės stiprio reikšmėms, ir žalingosios srovės ICBO (emiteris niekur neprijungtas; iE=0) priklausomybė nuo uKB (nesupainioti uKB su EK): RK=0,5 kΩ, RE=1,5 kΩ 1) iE= 0 = const Šiuo atveju neaptikome srovės. 2) iE= 0 =5 mA = const UKB (V) -1,54 -0,36 0,68 0,72 0,74 0,75 0,75 IK (mA) 4,5 4,5 4 3 2 1 0,8 3) iE= 0 =10 mA = const UKB (V) -24,8 0,4 0,7 0,75 0,77 0,78 0,78 0,79 IK (mA) 10,2 10 8 6 4 3 2 1 4) iE= 0 =15 mA = const UKB (V) -21,7 0,6 0,7 0,75 0,77 0,78 0,79 0,8 0,8 IK (mA) 16 14 12 10 8 6 4 2 1 BB junginio statinės išėjimo VACh Randamas išėjimo laidumas h22b: Išėjimo laidumas Tyrinėjamas BB junginys su apkrova kaip įtampos stiprintuvas. EK = 15V = const Būsena iK, mA uKB, V UEB, V 1-oji stiprintuvinė 5 -6,39 0,6673 2-oji stiprintuvinė 2,5 -10,8 0,6498 Apskaičiuojamas gaunamas įtampos stiprinimo koeficientas: Išmatuojamos BB junginio statinių įėjimo VACh šeimos dvi kreivės, kai uKB = 0 ir uKB = ... = const. Kai uKB = 0 V uEB, V 0,72 0,69 0,67 0,65 0,64 0,61 0,59 0,58 0,6 0,53 0,53 iE, mA 15 8 4 2 1 0,5 0,2 0,1 0,05 0,02 0,01 Kai uKB = 10 V uEB, V 0,68 0,67 0,66 0,65 0,63 0,61 0,59 0,57 0,56 0,54 0,52 iE, mA 15 8 4 2 1 0,5 0,2 0,1 0,05 0,02 0,01 BB junginio statinės įėjimo VACh Sudaroma BE junginio grandinė. BE junginio schema Išmatuojama Be junginio statinių išėjimo VACh šeimą: Kartu išmatuojama žalingosios srovės ICEO (iB=0; bazė niekur neprijungta) priklausomybė nuo uKE. Kai iB=0, srovės neaptikome. Kai iB=20 μA iK (mA) 6 4,4 4 2 1 0,5 0,2 0,1 0,05 0,02 0,01 uKE (V) -27,1 -7,4 -0,22 -0,142 -0,11 -0,1 -0,055 -0,042 -0,029 -0,022 -0,015 Kai iB=40 μA iK (mA) 12 10 8 4 2 1 0,5 0,2 0,1 0,05 0,01 uKE (V) -23 -9 -0,78 -0,151 -0,11 -0,081 -0,061 -0,041 -0,031 -0,022 -0,015 Kai iB=60 μA iK (mA) 18 16 14 12 10 6 2 1 0,5 0,2 0,05 0,02 0,01 ukE (V) -20 -14 -6 -0,9 -0,46 -0,171 -0,092 -0,07 -0,052 -0,035 -0,019 -0,015 -0,014 BE junginio statinio išėjimo VACh šeima Randamas išėjimo laidumas h22e: Išėjimo laidumas Tyrinėjamas BE junginys kaip elektroninis jungiklis (EK=15 V; RK=1,5 kΩ): Būsena iB, μA IK, μA uKE, V RKE, Ω 1-oji atvira 55 8,8 -0,36 41 2-oji atvira 200 8,9 -0,133 15 3-oji atvira 400 9,2 -0,103 11 Uždara 0 0 -15 ∞ Tyrinėjamas BE junginys su apkrova kaip įtampos stiprintuvas. iK, μA uKE, V UBE, V KU 1 stiprintuvinė 4 -7,9 -0,66 210 2 stiprintuvinė 2000 -12,1 -0,64 KU skaičiuojamas pagal formulę: Formulės kolektoriaus soties srovei iCsat skaičiuoti. uCEsat+uRsat=EK uCEsat+iCsat*RK=EK iCsat=(EK-uCEsat)/RK Kai uCEsat=0 V : iCsat=(15-0)/1500=10 mA Kai uCEsat=0,2 V: iCsat=(15-0,2)/1500=9,86 mA Išmatuojamos BE junginio statinių įėjimo VACh šeimos dvi kreivės, kai uKE = 0 ir uKE =10 V = const. Kai uKE = 0 = const. iB, μA 60 30 20 10 uBE, V -0,58 -0,56 -0,55 -0,53 Kai uKE =10 V = const. iB, μA 60 30 20 10 uBE, V -0,69 -0,68 -0,67 -0,65 BE junginio statinio įėjimo VACh šeima Išvados. Laboratoriniame darbe tyrinėtas dvikrūvis (bipoliarusis) tranzistorius. Tyrinėti du jo jungimo į grandinę variantai: bendrosios bazės (BB) bei bendrojo kolektoriaus (BK). Iš BB junginio išėjimo charakteristikų aiškiai matyti, kad tranzistorius tam tikrame įtampų ruože dirba labai panašiai į grandinių teorijos idealųjį srovės šaltinį, t.y. kolektoriaus srovė praktiškai nepriklauso nuo kolektoriaus-bazės įtampos. BB junginys yra geras įtampos ir galios stiprintuvas. Mes gavome, kad įtampos stiprinimo koeficientas lygus 252, taigi tiek kartų išėjimo įtampa yra didesnė už įėjimo įtampą. BE junginys jau yra šiek tiek mažiau panašus į idealųjį srovės šaltinį, tačiau vis tiek yra sritis, nedaug priklausanti nuo įtampos. BE junginio atveju tranzistorius veikia kaip elektroninis jungiklis. Jo uždaroji būsena yra labai gera, nes praktiškai nepraleidžia srovės, o ant jo išvadų krenta visa įtampa. Atvirosios būsenos yra prastesnės. BE junginys stiprina srovę, įtampą ir galią. Mes gavome, kad įtampos stiprinimo koeficientas yra 210.

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!