lukasz.proszek.info

Powrót do listy plików

---

1  wstęp teoretyczny

1.1  półprzewodniki

Półprzewodniki są to krystaliczne ciała stałe charakteryzujące się tym, że ich przewodność szybko zmienia się wraz z temperaturą. Wykazują dużą wrażliwość na domieszkowanie. Ich budowa atomowa jest podobna do budowy dielektryków, różnica polega na tym, że wiązania kowalentne w półprzewodnikach są dużo słabsze niż w dielektrykach. Dzięki zerwaniu słabych wiązań kowalentnych w półprzewodnikach znajduje się wiele elektronów swobodnych i dziur. Z reguły dziurę mżna traktować jak naładowaną dodatnio cząstkę poruszającą soę swobodnie w krysztale. Stąd wynika, że przpływ prądu elektrycznego w półprzewodniku może być wynikiem ruchu elektronów swobodnych oraz dziur. Przewodnictwo elektryczne (a więc liczba elektronów swobodnych i dziur) półprzewodników rośnie gwałtownie z temperaturą. Półprzewodniki możemy domieszkować pierwiastkami posiadającymi większą ilość elektronów walencyjnych niż pierwiastek tworzący półprzewodnik, wtedy liczba elektronów swobodnych (donorów) przekracza liczbę dziur (akceptorów) i mamy do czynienia z półprzewodnikiem typu n. Półprzewodniki typu p powstają przez domieszkowanie pierwiastkiem o mniejszej liczbie elektronów walencyjnych i w takim półprzewodniku nośnikiem stają się dziury.

1.2  Złącze p-n

Powstaje na granicy isniejącej w półprzewodniku między obszarami typu p i typu n. Nagła zmiana koncentracji elektronów swobodnych na złączu powoduje przepływ dyfuzyjny elektronów z obszaru typu n do obszaru typu p i dziur ,,w drugą stronę”. Jony ujemne nieruchome półprzewodnika typu p znajdujące się w pobliżu złącza będą przyciągały dziury, które przeszły do przewodnika typu n. Podobnie jony dodatnie domieszek półprzewodnika typu n będą przyciągały elektrony swobodne, które przeszły do obszaru typu p. Powstałe pole elektryczne pomiędzy jonami dodatnimi półprzewodnika typu n a jonami ujemnymi półprzewodnika typu p przeciwdziała dalszemu przechodzeniu nośmików pomiędzy obszarami, tworzy się tzw. bariera potencjału. Powstanie bariery potencjału związane jest z istnieniem warstwy ładunku przestrzennego, z którego zostały uzunięte elektrony swobodne i dziury. Naładowane jony donorowe i akceptorowe tworzą jak gdyby kondensator płaski. Jeżeli do złącza p-n doprowadzimy napięcie ujemne do obszaru typu p a dodatnie do n, wówszas uzyskamy rozszerzenie obszaru ładunku przestrzennego i zmniejszenie pojemności, niemożliwy jest wtedy przepływ prądu, a kierunek włączenia napięcia stałego nazywa się kierunkiem zaporowym. Stan powstający w warstwie przejściowej złącza p-n odpowiada istnieniu dużej rezystancji materiału uniemożliwajacej przepływ prądu, warstwę tę nazywa się warstwą zaporową. Jeżeli doprowadzimy napięcie odwrotnie, wówczas nastapi zwężenie obszaru ładunku przestrzennego i zwiększenie pojemności zastępczej, maleje także rezystancja i jest możliwy przepływ prądu, w tym przypadku złacze pracuje w kierunku przepustowym. Prąd całkowity powstaje w wyniku rekombinacji¹ nośników większościowych dostarczonych ze źródła zewnętrznego, z nośnikami mniejszościowymi, pochodzącymi z dyfuzji.

1.3  tranzystor jako element elektroniczny o regulowanym przepływie ładunków elektrycznych

Każdy tranzystor bipolarnyskłada się z dwóch złączy p-n położonych blisko siebie w jednym monokrysztale. Każdy z obszarów p, n, p tranzystora stanowi jedną z jego elektrod. Ponieważ złącze baza-emiter jest spolaryzowane zgodnie z kierunkiem przewodzenia istnieje przepływ dziur z obszaru p do obszatu n oraz elektronów w kierunku przeciwnym. Część elektronów, która przenika do bazy, łączy się z dziurami. Wszystkie elektrony, które dojdą do złącza koloktorowego są natychmiast ,,wsysane” do obszaru kolektora. Zasadę działania tranzystora można przedstawić jako dwie przwciwnie połączone diody półprzewodnikowe. Dioda baza-emiter jest zawsze spolaryzowana w kierunku przewodzenia, natomiast dioda baza-kolektor jest zawsze spolaryzowana w kierunku zaporowym. Jeżeli między kolektor i emiter zostanie doprowadzone napięcie U_CE i napięcie U_BE, wówczas przez tranzystor przepływa prąd I_C, którego wartość zależy od prądu bazy. Prąd kolektora I_C jest prawie równy prądowi emitera I_E². Wzmacniające działanie tranzystora polega na tym, że przepływający prąd bazy I_B powoduje bardzo znaczny przyrost prądu kolektora Δ I_C = Δ I_B β. Współczynnik β, zwany współczynnikiem wzmocnienia dla prądu stałego, wskazuje jak zmienia się prąd kolektora Δ I_C przy małych zmianach prądu bazy Δ I_B. typowe wartości β mieszczą się w granicach od 20 do 500.

1.4  Trzy zasadnicze tryby pracy tranzystora

• WE - układ ze wspólnym emiterem dający duże wzmocnienie zarówno prądowe, jak i napięciowe. Napięcie wyjściowe jest odwrócone w fazie o π w stosunku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset Ω a wyjściowa kilkudziesięcciu kΩ. Układ ten pobiera moc w obwodzie wejściowym i odznacza się większym wzmocnieniem niż inne układy
• WB - układ ze wspólną bazą odznacza się małą rezystancją wejściową oraz bardzo dużą wyjściową. Wyróżnia się pracą przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych³
• WC - układ ze wspólnym kolektorem. Jako jedyny hcarakteryzuje się dużą rezystancją wejściową. Ma to istotne znaczenie przy wzmacnianiu przebiegów elektrtycznych o małej częstotliwości. Układ ten daje najmniejsze wzmocnienie mocy. Nie nadaje się do wzmocnienia napięciowego.

1.5  Charakterystyki tranzystora w układzie WE

• Wyjściowa. I_C=f(U_CE) podaje zależność prądu kolektora I_C od napięca kolektor-emiter U_CE dla różnych prądów bazy I_B przy różnych warosciach napięca bazy U_BE. Dla pewnego I_B, I_C osiąga szybko swoją prawie stałą wartość. Dochodzi do tzw. nasycenia. Powyżej pewnego napięcia U_CE wszystki nośniki ładunku elektrycznego, pobudzone napięciem U_BE, biorą udział w tworzeniu prądu kolektora. Z charakterystyki tej można w łatwy sposób wyznaczyć wzmocnienie prądowe β=Δ I_C/Δ I_B
• Przejściowa I_C=f(I_B) przedstawia zależność pomiędzy prądem kolektora a prądem bazy dla stałego U_CE. Współczynnikwzmocniwnia prądowego β = arctg Δ I_C/Δ I_B.
• Wejściowa. I_B = f(U_BE pokazuje zmiany prądu kolektora oraz prądu bazy przy zmianie napięcia baza-emiter. Z charakterystyki tej można wyznaczyć rezystancję wejściową traznystora r_WE= Δ U_BE/Δ I_B.

2  plan pracy

1. Montaż układu zgodnie ze schematem.
2. Jednoczesny pomiar dla charakterystyki wejściowej i przejściowej
3. Pomiar dla charakterystyki wyjściowej
4. Rozmontowanie zestawu

3  opracowanie wyników

3.1  charakterystyka wejściowa: I_B=f(U_BE)

Seria pomiarowa przy stałym napięciu kolektor-emiter U_CE≡ 2,6V. Na wykresie 1 umieściłem wszystkie punkty pomiarowe. Natomiast na wykresie 2 umieściłem końcowy wycinek wraz z wykreśloną dopasowaną prostą y=ax+b. Współczynniki jakie otrzymałem z regresji umieściłem w tabeli:

a	58,7 ± 3,6	(6.17%)
b	−36,6 ± 2,4	(6.464%)

współczynnik a odpowiada rezystancji wejściowej r_we= 58,7 ± 3,6 [kΩ] .

3.2  charakterystyka przejściowa: I_C=f(I_B)

Dokonałem pomiaru natężenia prądu bazy I_B oraz natężenia prądu kolektora I_C, przy napięciu kolektor-emiter U_CE=(2,60 ± 0,01 [V].

Zależność I_C(I_B) wraz z dopasowaną prostą umieściłem na wykresie 3.

Współczynniki otrzymane z regresji:

a	= 46,71 ± 0,59	(1.269%)
b	= −4,09 ± 0,51	(12.46%)

Współczynnik a jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego β = 46,71 ± 0,59

3.3  charakterystyka wyjściowa: I_C=f(U_CE)

Seria pomiarowa zalezności prądu kolektora I_C od napięcia kolektor-emiter U_CE dla dwóch wartości ustalonego prądu bazy I_B=0,5 mA oraz I_B=1,5 mA.

Dokonałem regresji liniowej w przedziale słabego wzrostu. Otrzymane współczynniki zebrałem w tabeli

IB=0,5 mA			IB=1,5 mA
a	= 0.0248 ± 0.085	(340.2%)	a	= 0.6548 ± 0.0075	(1.147%)
b	= 17.12 ± 0.15	(0.8709%)	b	= 63.146 ± 0.016	(0.02587%)

Współczynnik a odpowiada rezystancji wyjściowej dla odpowiedniego prądu bazy.

Dla I_B=0,5 mA wynosi r_wy0.0248 ± 0.085 , natomiast dla I_B=1,5 mA wynosi r_wy= 0.6548 ± 0.0075.

4  poprawa sprawozdania

4.1  charakterystyka wejściowa

Niepweność wyznaczenia r_we obliczyłem, korzystając z metody różniczki zupełnej.

4.2  charakterystyka wyjściowa

Obliczeń dokonałem korzystając ze wzorów wyprowadzonych w poprzedniej części.

Wyniki dla I_B = 0,5mA musiałem niestety odrzucić. Niepewność rzędu 340% jest wartością nie do przyjęcia.

Dla I_B = 1,5mA,      r_wy = (1,527 ± 0,017) kΩ

---

1

łączenie się dziur i elektronów i ich zanikanie

2

mniejszy od I_E o I_B, ponieważ I_C=I_E−I _B

3

liczonych w GHz

---

This document was translated from L^AT_EX by H ^EV^EA.