CARACTERISTICILE STATICE ALE TRANZISTORULUI BIPOLAR

Scopul lucrarii : Ridicarea caracteristicilor statice ale tranzistorului bipolar in conexiunile emitor-comun (EC) si baza-comuna (BC), determinarea unor parametrii de curent continuu si de regim dinamic al tranzistorului bipolar.

In fig.2.1 este reprezentat simbolul unui tranzistor NPN cu precizarea sensului curentilor si tensiunilor asa cum vor fi folosite in aceasta lucrare. Intre aceste marimi se pot scrie relatiile (2.1) si (2.2).

Comportarea tranzistorului bipolar in regim continuu este definita de relatiile ce descriu dependenta curentilor si de tensiunile aplicate la bornele celor doua jonctiuni si . In regiunea activa normala, jonctiunea emitor-baza polarizata direct si jonctiunea colector-baza polarizata invers, relatiile de baza pentru curenti pentru un tranzistor NPN sunt: (2.3) si (2.4). In aceste relatii este suprafata jonctiunii baza-emitor, este constanta de difuzie a purtatorilor minoritari din baza (electronii) a caror concentratie este , = 26 mV la temperatura camerei, este grosimea efectiva a bazei data de relatia (2.5) (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 este factorul de curent al tranzistorului in conexiunea baza comuna si are expresia aproximativa : (2.6), unde si sunt lungimile de difuzie ale electronilor (in baza) respectiv ale golurilor (in emitor) iar si sunt conductivitatile electrice ale bazei, respectiv emitorului. Se remarca dependenta lui de tensiunea colector baza prin intermediul lui .

Din punct de vedere practic, pentru determinarea regimului de functionare in curent continuu, este necesara cunoasterea carcateristicilor statice de intrare, de transfer direct si de iesire (numai doua dintr ele sunt independente), cu particularitati specifice fiecarui mod de conexiune. In conexiunea baza comuna, electrodul de referinta este baza iar in conexiunea emitor comun electrodul de referinta va fi emitorul.

Din punct de vedere dinamic, la semnale mici (cand caracteristicile statice pot fi liniarizate in jurul; punctului static de functionare), lent variabile, tranzistorului poate fi caracterizat prin parametrii de cuadripol definiti prin ecuatiile (2.7) unde , , si sunt marimile variabile sinusoidale, cu sensurile obisnuite acceptate pentru cuadripoli (fig.2.1). Parametrii vor fi indexati sau dupa cum tranzistorul este utilizat in conexiunea BC sau EC; de multe ori se noateaza .

Caracteristica de intrare a tranzistorului in conexiunea BC adica , se deduce din relatia 2.3, in care se inlocuieste . Reprezentarea grafica este data in fig.2.2, 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 facandu-se in acelasi mod.

Caracteristica de transfer    este descrisa de ecuatia (2.4) si este reprezentata grafic in fig.2.3; factorul de curent , care da panta acestei drepte, variaza foarte putin cu tensiunea (prin intermediul lui ) si cu curentul de colector (scadere atat la curenti mici cat si la curenti mari, dependenta care nu rezulta din traiectoria elementara a tranzistorului). Factorul de curent al tranzistorului in conexiunea baza comuna, , se calculeaza cu relatia (2.8) dar precizia acestei relatii este puternic afectata de imprecizia masurarilor curentilor si , de valori foarte apropiate. Pentru masurarea factorului de curent se prefera relatia (2.15), dupa masurarea factorului de curent in conexiunea EC, .

este curentul jonctiunii colector-baza polarizate invers cu emitorul in gol, de valoare foarte mica pentru tranzistoarele realizate din siliciu si dependent de tensiunea .

Caracteristicile de iesire , sunt determinate de relatiile (2.4) si (2.6) si sunt reprezentate grafic in fig.2.4. Se constata dependenat foarte mica a curentului de colector de tensiunea in regiunea activa normala, caracteristicile fiind practic orizontale si echidistante, pentru trepte constante ale curentului de emitor (ceea ce confera tranzistorului in conexiunea BC caracterul de generator de curent). Pentru tensiuni < 0, curentul de colector scade datorita polarizarii in conductie directa si a jonctiunii colector-baza, ceea ce duce la functionarea tranzistorului in regiunea de saturatie.

In circuitul elementar din fig.2.5, punctul static de functionare se determina prin rezolvarea grafo-analitica a sistemului de ecuatii (2.9) unde valoarea curentului de emitor este fixata de circuitul de intrare (in lucrare, de catre generatorul de curent). In fig.2.4 in planul caracteristicilor statice, se traseaza drepte de sarcina si, pentru , se obtine punctul static de functionare cu coordonatele ; pe carcateristica de intrare punctul static de functionare este .

In punctul static de functionare, se pot masura parametrii pentru caracterizarea functionarii tranzistorului la semnale variabile mici, conform relatiilor : , , (2.10).

Parametrii si se dau si relatiile teoretice deduse din ecuatiile (2.3) si (2,4) sub forma (2.11) si (2.12).

Parametrul nu poate fi determinat printr-o aceeasi metoda deoarece variatiile foarte mici ale tensiunii (la variatii mari ale tensiunii ) sunt afectate de fenomene secundare, cum ar fi modificarea regimului termic al tranzistorului la variatia tensiunii de colector.

Caracteristica de intrare pentru tranzistorul in conexiunea EC, data de functia are ca parametru tensiunea , care intervine, in principal, prin parametrul . Ecuatia acestei caracteristici se obtine din relatiile (2.1), (2.3) si (2.4) sub forma : (2.13) si este reprezentata grafic in fig.2.6.

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 (2.14) : unde este factorul de curent in conexiune EC a carui expresie dedusa din relatiile (2.1) si (2.4) este : (2.15), iar este curentul de colector masurat cu baza in gol si determinat prin relatia : (2.16) .

Factorul de curent al tranzistorului in conexiunea EC depinde de tensiunea colector-emitor (prin intermediul grosimii efective a bazei, ) si de curentul de colector (aceasta dependenta este mai puternica decat a factorului de curent ) ca in fig.2.7.

Factorul de curent se determina din relatia (2.14) sub forma (2.17).

Caracteristicile de iesire dau dependenta curentului de colector de tensiunea avand ca parametru curentul de baza, , si sunt descrise de relatia (2.14); dependenta mai puternica a factorului de curent al tranzistorului, , de , determina o inclinare mai puternica a caracteristicilor fata de orizontala.

In zona tensiunilor mici, ecuatia (2.14) nu mai este valabila, tranzistorul functionand in regiunea de saturatie.

Pentru circuitul elementar din fig.2.9, punctul static de functionare se determina prin metoda grafo-analitica de rezolvare a sistemului format din ecuatiile : (2.18), curentul fiind determinat de circuitul de intrare (in cazul lucrarii, prin generator de curent constant).

In punctul static de functionare, , caracterizat prin parametrii , se pot definii parametrii pentru semnal mic, lent variabil : , , (2.19).

La fel ca si , parametrul nu se poate masura prin aceasta metoda.

Intre parametrii in conexiunea EC si cei in conexiunea BC exista urmatoarele relatii aproximative : (2.20) , (2.21).

In anumite circuite electronice, tranzistorul bipolar poate fi folosit in conexiune inversa prin schimbarea rolurilor terminalelor emitor si colector. Parametrul ce caracterizeaza aceasta functionare este factorul de curent in conexiune inversa, sau . Cu exceptia unor tranzistoare special construite, factorul de curent , este foarte mic, de obicei, subunitar.

DESFASURAREA LUCRARII

Se identifica montajul din fig.2.10, in care se foloseste un circuit ajutator in calitate de generator de curent reglabil din potentiometrul . Pentru curentii de baza necesari tanzistorului NPN in conexiune EC se alimenteaza schema cu +5 V (aproximativ) la    borna 2 fata de borna de masa (borna 1) si se obtine la borna 3 un curent reglabil (in sensul sagetii) intre 0 mA ; pentru curentii de emitor necesari aceluiasi tanzistor NPN in conexiune BC se alimenteaza schema cu -5V la borna 2 fata de borna 1 (borna de masa) si se obtine la borna 4 un curent reglabil intre 0 50 mA.

Se traseaza caracteristica de intrare a tranzistorului in conexiunea BC conform schemei de masura din fig.2.11. Pentru aceasta, generatorul de curent se va alimenta cu -5 V la borna 2 fata de borna de masa (borna 1), iesirea generatorului de curent fiind borna 4. Pentru curentul de emitor se vor lua valorile: 0.1; 0.2; 0.5; 1; 2; 5; 10; 20; 50; mA, iar tensiunea colector-baza va fi de 5 V. Rezultatele se trec in tabelul 2.1 si se traseaza caracteristica de intrare atat

la scara liniara cat si la scara logaritmica (pentru curent) pentru determinarea parametrului ca la dioda semiconductoare.

Se traseaza cracteristica de transfer folosind schema de masura din fig.2.12. Intrucat valorile curentilor si sunt foarte apropiate, se prefera masurarea curentului de baza pentru fiecare valoare a curentului de emitor, iar curentul de colector se deduce din relatia (2.1). tensiunea este de 5 V. Pentru curentul de emitor se vor lua aceleasi valori ca la punctul precedent. Rezultatele se trec in tabelul 2.2 si se traseaza caracteristic de transfer la scara liniara. Pentru =2 mA, se determina factorul de curent al tranzistorului in conexiunea BC, , cu relatia (2.8) in care este valoarea curentului de colector obtinut cu emitorul in gol .

Se vor compara valorile obtinute pentru si cu valorile rezultate din relatiile (2.15) si (2.16), in care are valoarea determinata in acelasi punct de functionare la punctul 7.

Se traseaza caracteristicile statice de iesire in conexiunea BC cu schema de masura din fig.2.12. Pentru tensiunea de iesire se vor lua valorile 0.1; 0.5; 1; 2; 5; 10; V, iar curentul de emitor va fi fixat la valorile 2; 4; 6; 8; 10; mA . Rezultatele se trec in tabelul 2.3.

Pentru =2 mA, se inverseaza semnul tensiunii si se determina valoarea acestei tensiuni pentru care curentul de colector se anuleaza; masuratoarea se va face cu atentie, deoarece anularea curentului de colector se produce la valori mici ale tensiunii colector baza (circa -0.6 -0.7 V)

In planul caracteristicilor ridicate la punctul precedent, se traseaza dreapta statica de functionare, conform relatiei (2.9) in care = 3.6 kW si =12 V si se determina coordonatele punctului static de functionare, stiind ca = 2 mA.

Se realizeaza monttajul elementar din fig.2.5 cu = 3.6 kW si =12 V si se masoara coordonatele punctului static de functionare pentru = 2 mA.. Se compara rezultatele obtinute prin cele doua metode. In punctul de functionare astfel determinat, se calculeaza parametrul pe caracteristica de intrare, iar parametrii si se calculeaza folosind rezultatele din tabelel corespunzatoare, avand in vedere dificultatea masurarii unor variatii foarte mici ale curentului de colector direct pe grafic. Se vor folosi relatiile (2.10)

Se alimentaeza generatorul de curent cu +5 V la borna 2 (fata de borna 1); se traseaza caracteristica de intrare in conexiunea EC, , conform schemei de masura din fig.2.13 (bornele 1 si 6 sunt legate impreuna iar miliampermetrul se conecteaza intre bornele 3 si 5); tensiunea se va masura cu un voltmetru electronic, de preferinta numeric. Se va masura tensiunea pentru urmatoarele valori ale curentului de baza: = 0; 10; 20; 30; 40 si 50 mA. Intrucat caracteristica de intrare pleaca de la valori negative ale curentului de baza, se vor pune in scurt circuit baza cu emitorul si se va masura (schimband bornele miliampermetrului). Se mentine curentul de baza la valoarea constanta = 50 mA si se masoara tensiunea baza-emitor pentru urmatoarele valori ale tensiunii colector-emitor : 0; 1; 5 si 10 V. Rezultatele se vor trece in tabelul 2.4. Se va trasa graficul cu =5V, la scara liniara.

Se masoara marimile necesare pentru ridicarea caracteristicii de transfer, conform schemei de masura din fig.2.14. Tensiunea colector-emitor va fi = 5 V.

Se va nota, mai intai, valoarea curentului de colector cu baza in gol, . Se va regla apoi curentul de baza pentru a se obtine curenti de colector de valoare 0.5; 1; 2; 5; 10; 20; 50 mA, rezultatele fiind trecute in tabelul 2.5.

In acelasi tabel, se va trece factorul de curent al tranzistorului, , calculat cu relatia (2.7).

Se masoara factorul de curent al tranzistorului in conexiunea EC la alte doua tensiuni colector-emitor, =1 V si =10 V. Pentru fiecare dintre aceste valori, se determina, mai intai (cu baza in gol) si apoi curentul de baza necesar obtinerii ac eluiasi curent colector = 2 mA. Se va trasa

graficul functiei de transfer , la scara liniara.

Se determina caracteristicle de iesire ale tranzistorului in conexiune EC cu parametru , conform schemei de masura din fig.2.15. Pentru curentul de baza, , se vor lua valorile 10; 20; 30; 40; 50 mA, iar curentul colector se va masura pentru urmatoarele valori ale tensiunii colector-emitor care asigura functionarea tranzistorului in regiunea activa normala : 0.5; 1; 2; 5; 10 V si se traseaza familia de caracteristici la scara liniara.

Se efectueaza masuratorile pentru ridicarea caracteristicilor de iesire in zona de saturatie a tranzistorului si in zona activa normala invecinata, pentru tensiuni mici intre colector si emitor. Se va folosi acelasi montaj si se vor considera aceleasi valori ale curentului de baza iar tensiunea colector-emitor se regleaza la valorile 0.1; 0.2; 0.3; 0.4 si 0.5 V. Rezultatele se trec in acelasi tabelul 2.6 si se va trasa un grafic separat pentru aceasta zona la o scara convenabila pentru .

Se realizeaza schema din fig.2.9 pentru determinarea punctului static de functionare Se fixeaza = 12 V si se regleaza curentul de baza pana cand = 2 mA. Se vor nota coordonatele punctului static de functionare (,,,).

Pe caracteristicile statice de iesire ale tranzistorului desenate la punctul precedent, se traseaza prin interpolare, cu aproximatie, caracteristica statica corespunzatoare curentului de baza masurat anterior si dreapta de sarcina descrisa de ecuatia (2.18). La intersectia lor se obtine punctul static de functionare ale carui coordonate trebuie sa fie apropiate de cele masurate.

In acest punct static de functionare, se vor determina parametrii (pe caracteristica de intrare), (pe caracteristica de transfer), (pe caracteristica de iesire) conform relatiilor (2.19).

Se vor verifica relatiile de legatura intre parametrii in cele doua conexiuni (2.20) si (2.21), punctele de functionare fiind apropiate.

Se masoara factorul de curent al tranzistorului in conexiune inversa, conform schemei de masura din fig.2.16 si folosind relatia , unde este curentul inregistrat de ampermetrul din emitor pentru = 200 mA, iar este curentul inregistrat de acelasi aparat pentru = 0 (baza in gol).

Se vor vizualiza, pe caracterograf, caracteristicile statice de intrare si de iesire pentru ambele conexiuni ale tranzistorului. Se vor vizualiza si deformarile caracteristicilor de iesire la tensiuni de colector apropizte de tensiunea de strapungere, pentru ambele conexiuni.

Referatul va contine: schemele de masura pentru parametrii si pentru caracteristicile statice ale tranzistorului in cele doua conexiuni, tabelele cu rezultatele masuratorilor, graficele corespunzatoare si determinarile facute pe baza acestora asa cum se indica la modul de lucru; schemele elementare cu tranzistoare pentru determinarea punctelor statcie de functionare respective. In cazul unor neconcordante intre rezultatele teoretice si cele experimentale se vor da scurte justificari.