Tranzistorul bipolar in regim continuu

Laborator DCE - 31.10.2002

Tranzistorul bipolar în regim continuu

Scopul lucrarii

Lucrarea are ca scop ridicarea caracteristicilor statice ale tranzistorului bipolar în conexiunile emitor-comun (EC) si baza-comuna (BC), precum si determinarea unor parametri de cur 22222d311w ent continuu ai acestuia.

Teoria lucrarii

În figura alaturata este reprezentat simbolul unui tranzistor npn cu precizarea sensului curentilor si tensiunilor. Pentru aceste marimi se pot scrie relatiile:

(1) si (2)

Comportarea tranzistorului bipolar în regim continuu este definita de relatiile ce descriu dependenta curentilor si de tensiunile aplicate la bornele celor doua jonctiuni si .

În regiunea activa normala, jonctiunea emitor-baza este polarizata direct iar jonctiunea colector-baza este polarizata invers. Relatiile de baza pentru curentii unui tranzistor npn sunt:

(3) si (4),

unde este suprafata jonctiunii baza-emitor, este constanta de difuzie a purtatorilor minoritari din baza (electronii) a caror concentratie este , la temperatura camerei, iar este grosimea efectiva a bazei.

Marimea w este data de  (5), unde d este grosimea fizica a bazei, este bariera de potential a jonctiunii colector-baza dependenta de concentratiile de purtatori majoritari din baza si din colector , iar este permeativitatea electrica a materialului din care este confectionat tranzistorul. Se constata ca, la cresterea tensiunii de polarizare inversa a jonctiunii baza-colactor, grosimea efectiva a bazei scade.

Parametrul , factorul de curent al tranzistorului în conexiunea baza comuna, depinde de tensiunea colector baza prin intermediul lui si are expresia aproximativa (6), unde si sunt lungimile de difuzie ale electronilor (în baza) respectiv ale golurilor (în emitor) iar si sunt conductivitatile electrice ale bazei, respectiv emitorului.

Din punct de vedere practic, pentru determinarea regimului de functionare în curent continuu, este necesara cunoasterea caracteristicilor statice de intrare, de transfer direct si de iesire (numai doua dintre ele sunt independente), cu particularitati specifice fiecarui mod de conexiune

Caracteristica de intrare a tranzistorului în conexiunea BC, , se deduce din relatia (3), în care se înlocuieste . Reprezentarea grafica este data în figura de mai jos, unde s-a considerat ca parametru tensiunea .

Se constata caracterul exponential al caracteristicii de intrare si influenta mica a tensiunii de colector asupra caracteristicii de intrare. Exponentul poate fi afectat de coeficientul , ca la dioda semiconductoare, determinarea lui experimentala facându-se în acelasi mod.

Caracteristica de transfer a tranzistorului în conexiunea BC, este descrisa de ecuatia (4) si este reprezentata grafic în figura de mai jos (stânga). Factorul de curent , care da panta acestei drepte, variaza foarte putin cu tensiunea u_CB (prin intermediul lui w) si cu curentul de colector (scadere atât la curenti mici cât si la curenti mari, dependenta care nu rezulta din teoria elementara a tranzistorului).

Factorul de curent al tranzistorului în conexiunea baza comuna, a , poate fi calculat cu relatia (7), unde I_CB0 este curentul jonctiunii colector-baza polarizate invers cu emitorul în gol, de valoare foarte mica pentru tranzistoarele realizate din siliciu si dependent de tensiunea u_CB.

Caracteristicile de iesire a tranzistorului în conexiunea BC, , sunt determinate de relatiile (4) si (5) si sunt reprezentate grafic în figura de mai sus. Se constata dependenta foarte mica a curentului de colector de tensiunea în regiunea activa normala, caracteristicile fiind practic orizontale si echidistante, pentru trepte constante ale curentului de emitor (ceea ce confera tranzistorului în conexiunea BC caracterul de generator de curent). Pentru tensiuni , curentul de colector scade datorita polarizarii în conductie directa a jonctiunii colector-baza, ceea ce duce la functionarea tranzistorului în regiunea de saturatie.

Punctul static de functionare se determina din circuitul elementar din figura alaturata, prin rezolvarea grafo-analitica a sistemului de ecuatii:

(8),

unde valoarea curentului de emitor este fixata de circuitul de intrare (în lucrare, de catre generatorul de curent).

În planul caracteristicilor statice se traseaza drepte de sarcina si, pentru , se obtine punctul static de functionare .

Caracteristica de intrare a tranzistorului în conexiunea EC, reprezentata grafic în figura alaturata, este data de functia care are ca parametru tensiunea , ce intervine, în principal, prin parametrul . Ecuatia acestei caracteristici se obtine din relatiile (1), (3) si (4) sub forma (9).

Se constata forma exponentiala a carateristicii, cu o influenta redusa a tensiunii (prin intermediul variatiei grosimii efective a bazei) si anularea curentului de baza pentru o valoare diferita de 0 a tensiunii .

Caracteristica de transfer este data de relatia (10), unde este factorul de curent în conexiune EC a carui expresie dedusa din relatiile (1) si (4) este (11) , iar este curentul de colector masurat cu baza in gol si determinat prin relatia (12).

Factorul de curent al tranzistorului în conexiunea EC depinde de tensiunea colector-emitor (prin intermediul grosimii efective a bazei, ) si de curentul de colector (aceasta dependenta este mai puternica decât a factorului de curent ) ca în figura de mai jos. Factorul de curent se determina din relatia (10) sub forma (13).

Caracteristicile de iesire a tranzistorului în conexiunea EC (figura de mai sus, dreapta) dau dependenta curentului de colector de tensiunea având ca parametru curentul de baza, . Acestea sunt descrise de relatia (10), dependenta mai puternica a factorului de curent al tranzistorului, , de , determinând o înclinare mai puternica a caracteristicilor fata de orizontala. În zona tensiunilor mici, ecuatia (10) nu mai este valabila, tranzistorul functionând în regiunea de saturatie.

Punctul static de functionare se determina din circuitul elementar din figura alaturata prin rezolvarea grafo-analitica a sistemului de ecuatii:

(14),

curentul fiind determinat de circuitul de intrare (în cazul lucrarii, prin generator de curent constant). Punctul static de functionare este determinat pre

cizând curentii prin tranzistor ( si ) si tensiunile la bornele sale ( si ).

Montajul folosit

Montajul consta în grupul de componente din figura de mai jos. Grupul format din tranzistoarele T₁, T₂, rezistentele R₁, R₂, R₃, R₄ si potentiometrul P constituie o sursa dubla de curent reglabila. Când se foloseste în montaje pentru a furniza curentii de baza necesari tranzistorului npn în conexiune EC atunci sursa se alimenteaza cu +5 V la borna 2 fata de borna de masa (borna 1) si atunci se obtine la borna 3 un curent reglabil (în sensul sagetii) între 0 mA. Pentru curentii de emitor necesari aceluiasi tranzistor npn în conexiune BC, sursa se alimenteaza cu -5V la borna 2 fata de borna 1 (borna de masa) si se obtine la borna 4 un curent reglabil între 0 50 mA.

Modul de lucru

Pentru conexiunea BC se foloseste un tranzistor de tip BD135L. Cu sursa de curent alimentata corespunzator, se traseaza caracteristicile de intrare, respectiv de transfer si iesire utilizând urmatoarele doua scheme de montaj:

Pentru determinarea punctului static de functionare se foloseste circuitul elementar descris mai sus. Se traseaza dreapta statica de functionare pentru R_c=3.6kΩ si E_c=12V în planul caracteristicilor de iesire si se determina coordonatele punctului static de functionare stiind ca I_E=2mA. Se compara rezultatul obtinut cu cel masurat.

Se determina si parametrul de curent invers I_CB0 pentru U_CB=5V si I_E=2mA pentru a-l calcula pe

Analog, pentru tranzistorul conectat în montaj EC, se folosesc pentru trasarea caracteristicilor statice montajele:

Cu montajul elementar descris anterior se determina punctul static de functionare pentru R_c=3.6kΩ, E_c=12V si I_E=2mA. Se compara valoarile experimentale cu cele obtinute grafoanalitic.

Rezultate experimentale

BC - caracteristica de intrare

BC - caracteristica de transfer

BC - caracteristica de iesire

BC - punctul static de functionare

Valori masurate: I_C=I_E-I_B=2mA -16μA=1,984mA, U_CB=5.1V

Din grafic: I_C=1.98mA, U_CB=4.85V

EC - caracteristica de intrare

EC - caracteristica de transfer

Avem I_CEo=5.6mA, valoare masurata folosita la calculul lui

EC - caracteristica de iesire

Observatii si concluzii

1. Caracteristicile obtinute pe cale experimentala sunt, în general, în concordanta cu cele teoretice.

2. Valorile obtinute pentru β₀ sunt cuprinse între 150 si 350, valori dealtfel obisnuite. Diferentele mari între valorile obtinute la diferite masuratori se datoreaza faptului ca precizia cu care este determinat I_B este mica.

3. Valoarea de aproximativ 99 obtinuta pentru se încadreaza si ea între valorile obisnuite pentru acest parametru.

4. Erorile mai mari obtinute în zonele cu valori mici ale graficelor se datoreaza variatiei regimului de functionare al tranzistorului.