ĆWICZENIE 1

Badanie diody, tranzystora bipolarnego i unipolarnego

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z własnościami diody półprzewodnikowej krzemowej, własnościami i charakterystykami tranzystora bipolarnego npn oraz tranzystora unipolarnego z kanałem typu n.

2. Zależność prądowo - napięciowa diody półprzewodnikowej określona jest wzorem:

I = Is { exp ( U/ηUt) - 1} /1/

Gdzie Is - wsteczny prąd diody,

Ut - potencjał temperaturowy = kT/q dla temperatury pok. Ut ≈25mV

k - stała Boltzmanna

q - ładunek elektronu

η - stała materiałowa liczba (1-2).

3. Rezystancja dynamiczna diody

Rezystancje dynamiczną przyrostową określa wzór:

r = dU/dI /2/

Korzystając z wzorów /1/ i /2/ można wyznaczyć, że

r = ηUt / (I+ Is) /3/

Przy polaryzacji diody w kierunku przewodzenia I >> Is otrzymamy z /3/

r =ηUt / I /4/

dla temperatury pokojowej wyrażenie /4/ przyjmuje postać

r = η 25/I /5/

przy czym prąd I należy wstawić w mA.

4. Przebieg badania diody w kierunku przewodzenia

Zestawić układ wg rysunku 1. Nastawiając przy pomocy zasilacza z ograniczeniem prądowym odpowiednią wartość prądu należy wykonać pomiary zgodnie z tablicą.

I mA	4	6	8	10	20	40	60	80	100
U mV

5. Badanie własności tranzystora bipolarnego n-p-n

Tranzystor bipolarny ma strukturę trójwarstwową n-p-n powstałą w wyniku wytworzenia w płytce półprzewodnikowej dwóch, odpowiednio względem siebie usytuowanych, złącz p-n. W strukturze tej wyróżnia się trzy obszary i odpowiadające im wyprowadzenia: emiter E, baza B, kolektor C. W ćwiczeniu badany jest tranzystor pracujący w układzie OE. Dla układu OE podaje się następujące charakterystyki:

a. charakterystyka wejściowa - przedstawia zależność IB = f (UBE)

przy UCE = const.

b. charakterystyka wyjściowa - przedstawia zależność IC = f (UCE) przy IB = const.

c. charakterystyka sprzężenia zwrotnego - obrazuje zależność UCE = f (UBE) przy IB = const.

d. charakterystyka prądowa - przedstawia zależność IC = f (IB) przy UCE = const.

W ćwiczeniu zdejmować będziemy charakterystyki a/ i b/.

Dla niewielkich amplitud prądów i napięć przemiennych panujących w układzie tranzystorowym traktuje się tranzystor jako czwórnik liniowy. Czwórnik ten może być opisany równaniami:

u_be = h₁₁ i_b + h₁₂ u_ce

i_c = h₂₁ i_b + h₂₂ u_ce /6/

gdzie : h₁₁ = du_be/di_b przy U_CE = const - jest impedancją wejściową przy rozwartym wyjściu

h₁₂ = du_be/du_ce przy I_B = const - jest wsteczną transmitancją napięciową przy rozwartym wejściu

h₂₁ = di_c/di_b przy U_CE = const - jest transmitancja prądową przy zwartym wyjściu

/ wzmocnienie prądowe/

h₂₂ = di_c/du_ce przy I_B = const. - jest admitancją wyjściową przy rozwartym wejściu.

W ćwiczeniu będziemy wyznaczać parametry h₁₁, h₁₂, h₂₂, h₂₁ badanego tranzystora na podstawie zdjętych charakterystyk. metodą małych przyrostów napięcia i prądu.

6. Przebieg badania charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego w układzie OE

Zestawić układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem 2. Regulację prądu bazy przeprowadza się potencjometrem P przy stałym napięciu z zasilacza E_BB. Zasilacz E_CC o regulowanym napięciu umożliwia nastawianie odpowiedniej wartości napięcia kolektor - emiter badanego tranzystora.

6.1 Zdjąć zależność I_B = f (U_BE) dla dwóch wartości U_CE = 6V oraz U_CE = 10V. Wyniki pomiarów wpisać do tablicy pomiarowej.

UBE mV	100	200	400					UCE=6V
IB uA				5	10	20	30

UBE mV	100	200	400					UCE=10V
IB uA				5	10	20	30

6.2 Zdjęć zależność I_C = f ( U_CE) dla dwóch stałych wartości prądu bazy I_B = 20uA oraz I_B = 40uA. Wyniki wpisać w tablicy pomiarowej

UCE V	2	4	6	8	10	12	IB = 20uA
IC mA

UCE V	2	4	6	8	10	12	IB = 40uA
IC mA

7. Właściwości tranzystora unipolarnego JFET z kanałem typu n

Tranzystor unipolarny stanowi półprzewodnikową ścieżkę przewodzącą, której rezystancja jest regulowana za pomocą pola elektrycznego prostopadłego do kierunku przepływu prądu. Dla tranzystora JFET pole elektryczne jest doprowadzane przez złącze p-n spolaryzowane zaporowo. Nośnikami prądu w tranzystorze unipolarnym są w nich nośniki większościowe. W tranzystorze z kanałem n będę to nośniki elektronowe. Tranzystory unipolarne posiadają trzy wyprowadzenia: źródło S, bramkę G oraz dren D. W ćwiczeniu badany będzie tranzystor w konfiguracji OS ( wspólne źródło). Dla zakresu dużych wartości napięć UDS ( obszar nasycenia) prawdziwa jest zależność:

I_D = I_DSS { 1 - (U_GS/U_P)}² /7/

gdzie : I_DSS - prąd drenu w stanie nasycenia przy U_GS = 0

U_GS - napięcie bramka - źródło

U_P napięcie odcięcia kanału.

Jednym z ważniejszych parametrów małosygnałowych tranzystora polowego jest jego transkonduktancja , która w zakresie nasycenia tranzystora wynosi:

g_m = dI_D/du_GS dla U_DS = const. /8/

tj. g_m = -( 2I_DSS/U_P ) {1-(U_GS/U_P)} /9/

8. Badanie charakterystyki wyjściowej i przejściowej tranzystora unipolarnego z kanałem typu n

Zestawić układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem 3. Zasilacz E_GG służy do regulacji napięcia polaryzacji wstecznej złącza bramka - źródło. Zasilacz E_DD przeznaczony jest do ustawienia wartości napięcia dren - źródło.

8.1 Zdjąć charakterystyki wyjściowe tranzystora polowego I_D = f ( U_DS) dla następujących wartości U_GS : 0V, -0,5V, -1Voraz -3V. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli.

UDS V	1	2	4	6	10	15	UGS V
ID mA							0
ID mA							-0,5
ID mA							-1
ID mA							-3

8.2 Zdjąć charakterystyki przejściowe tranzystora polowego I_D = f (U_GS) dla

U_DS= 10V. Wyniki pomiarów wpisać w tabeli

UGS V	0	-0,5	-1	-1,5	-2	-2,5	-3
ID mA

9. Tematy do opracowania

9.1 Wykreśl charakterystykę diody krzemowej I_D= f(U_D) spolaryzowanej w kierunku przewodzenia zgodnie z wynikami otrzymanymi z pomiarów w p.4.

9.2. Korzystając z wykreślonej charakterystyki I_D = f (U_D) wyznacz metodą małych przyrostów wartość rezystancji dynamicznej w punkcie ID = 40 mA.

9.3 Wyznacz współczynnik η z wzoru na I_D korzystając z wykresu I_D=f (U_D)

9.4 Wyznacz I_S z wzoru na I_D dla podanej charakterystyki I_D=f (U_D).

9.5 Korzystając z wyników otrzymanych w 9.3 i 9.4 wyznacz teoretyczna wartość rezystancji dynamicznej diody w punkcie I_D = 40mA. Porównaj wynik z rezultatem otrzymanym w p.9.2.

9.6 Wykreśl na jednym wykresie charakterystyki wejściowe tranzystora bipolarnego I_B = f(U_BE) . dla różnych wartości U_CE. Omów wpływ napięcia U_CE na te charakterystyki.

9.7 Wykreśl na jednym wykresie charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego

I_C = f(U_CE) dla różnych wartości prądu bazy. Omów wpływ prądu bazy na te charakterystyki.

9.8 Wyznacz, korzystając z wykresu z p.6.1, metodą małych przyrostów wartość parametru h₁₁ tranzystora dla I_B = 10uA i 20uA oraz U_CE = 10V

9.9 Wyznacz, korzystając z wykresu z p.6.1, metodą małych przyrostów wartość parametru h₁₂ tranzystora dla I_B = 10uA i 20uA .

9.10 Wyznacz, korzystając z wykresu z p.6.2, metodą małych przyrostów wartość parametru h₂₁ tranzystora dla U_CE = 10V.

9.11 Wyznacz, korzystając z wykresu z p.6.2, metodą małych przyrostów wartość parametru h₂₂ tranzystora dla I_B = 10uA i 20uA oraz UCE = 10V.

9.12 Wykreśl na jednym wykresie charakterystyki wyjściowe tranzystora polowego

I_D = f(U_DS) dla różnych wartości napięcia U_GS. Omów wpływ napięcia U_GS na te charakterystyki.

9.13 Wykreśl charakterystykę przejściową tranzystora polowego I_D = f(U_GS). Wyznacz metodą małych przyrostów wartość transkonduktancji tranzystora w punkcie U_GS = -0,5V. Wynik porównaj z obliczeniem wartości g_m z wzoru /9/.

UWAGA. Wszystkie wykresy należy wykonać na papierze milimetrowym !

5

Rysunek 3