Komponentfysik ESS030 Den bipolära transistorn T- 2016
Syfte Syftet med denna laboration är att studenten ska bekanta sig med den grundläggande fysiken i en bipolär transistor. Det fundamentala byggblocket i en bipolär transistor är pn- övergången och under laborationen kommer även denna att studeras. iktiga begrepp, för en blivande civilingenjör i Elektroteknik, kommer att tas upp i laborationen. Begrepp som till exempel Earlyspänningen och den inbyggda spänningen, kommer att bestämmas utifrån mätdata och kopplas till den teori som lärts ut i kursen. Dessa begrepp ger viktig information om hur en transistor beter sig och vilka begränsningar som gäller vid användning. Utifrån detta kan man lättare i framtiden finna en transistor med rätt egenskaper vid kretskonstruktion. Tidigare erfarenheter har visat att studenten brukar ha svårt för att förstå den bipolära transistorn och därför för att öka förståelsen kommer en npn- dopad bipolär transistor att analyseras under laborationen. Detta är samma transistorer som används under första laborationen i analog elektronik. Förberedelser Läs igenom laborationshandledningen och försäkra dig om att du känner till de begrepp och fenomen som diskuteras. Läs gärna även de sidor i boken som listas under Läsanvisningar. Studera särskilt banddiagrammet för en npn- transistor som finns i figur 6.1 i kursboken och jämför med banddiagrammen för en framspänd pn- övergång (t ex figur 4.12 d) och en backspänd pn- övergång (t ex figur 4.13 d). Läsanvisningar Relevanta sidor för laborationen finns listade nedan och gäller för sjunde upplagan av kursboken. Lägg inte för stor vikt vid härledningarna utan försök istället fokusera på den fysikaliska förståelsen. Dioder: 56-60, 75-88, 90-92, 95-100, 103-108. Den bipolära transistorn: 137-139, 143-148, 149-154, 162-164, 166-168. Diodekvationen Hur strömmen, I, genom en pn- diod påverkas som en funktion av pålagd spänning, U!, kan beskrivas med den ideala diodekvationen I = I!!! e!!! 1. I ekvationen ovan är U! den termiska spänningen, m är idealitetskonstanten och I! är backspänningsströmmen. Arbetsmoder Enkelt uttryckt består en bipolär transistor utav två pn- övergångar som tillsammans styr över transistorns beteende vid olika strömmar och spänningar. Den ena pn- övergången sitter mellan emittern och basen medan den andra är mellan basen och kollektorn. Det är genom bas- området som alla strömmarna går genom, den ena är basströmen, I B, och den andra är kollektorströmmen, I C. Storleken på respektive ström styrs utav den pålagda spänningen över bas- emitterövergången, U BE, respektive kollektor- basövergången, U CE. Med dessa spänningar bestäms ifall övergångarna är framspända eller backspända, vilket gör att transistorn beter sig annorlunda beroende på vilka
tillstånd som pn- övergångarna opererar i. Det finns totalt fyra tillstånd, arbetsmoder, som transistor kan vara i och dessa återges nedan i Tabell 1. Tabell 1 Bipolära transistorns olika arbetsmoder. Emitter- bas pn- övergången Kollektor- bas pn- övergången Aktiv/normal Framspänd Backspänd Inverterad Backspänd Framspänd Strypt Backspänd Backspänd Bottnad Framspänd Framspänd Kapacitans Till kapacitansen i en pn- övergång finns det två stycken bidrag. Dessa är utarmningskapacitansen, C!, och diffusionskapacitansen, C!"##. Summan av dessa båda bidragen utgör den totala kapacitancen för pn- övegången. För en n + p- diod kan utarmningskapacitansen beskrivas med C! =!!!!!!!!!!!!"!!! och diffusionskapacitansen kan beskrivas med!! e!! C!"## =!"!!!!!!!!! 1. I ekvationerna ovan är A arean på pn- övergången, μ! är elektronmobiliteten, ε! är permittivitetskonstanten, ε! är den relativa permittiviteten, n!! är elektronkoncetrationen på p- sidan i jämvikt, N! är acceptorkoncentrationen, U!" är den inbyggda spänningen, e är elementarladdningen och W! är p- områdets längd. Laborationsmoment Under laborationen utförs ett antal mätningar på en bipolär npn- transistor och en pn- övergång. Dessa mätningar görs med hjälp av voltmetrar, amperemetrar, potentiometrar, spänningskällor och en kapacitansmeter. Efter varje mätning följer ett antal kontrollfrågor med syfte att öka förståelsen av mätningarna som utföres. Svaren på dessa frågor ska redovisas för handledaren innan laborationen är slut. Strömmätning av en pn- övergång En bipolär transistor består av två stycken pn- övergångar som är ihopasatta vid basen. För att studera en av dessa pn- övergångar utan påverkan av den andra, lämnas kollektor flytande. Eftersom dess elektrod inte är kopplad till något kommer ingen ström att flyta till eller från kollektorn. En möjlig uppkoppling för mätning av bas- emitter pn- övergången, kan ses i 1.
+ - A Figur 1 Mätuppställning för strömmätning för en bipolär npn- transistor med flytande kollektor. Alternativt kan transistorn bytas ut mot en diod. En potentiometer används för att styra den applicerade spänningen. Denna spänning mäts av en voltmeter, som är kopplad över pn- övergången och en seriekopplad amperemeter. Strömmen mäts av den seriekopplade amperemetern. Spänningen ska varieras från 0 och upp till dess att strömmätaren bottnar vid 2 ma. Genomför mätningarna både i rumstemperatur (300 K) och med komponenten nedsänkt i flytande kväve (77 K). När mätningarna har utförts, plotta värdena i Matlab med rumstemperatur- och kvävemätningarna i samma graf. Generera två figurer: en linjär och en med logaritmerade strömvärden. Kontrollfrågor ilken kurvform har den uppmätta strömmen som en funktion av spänningen? o Är detta det förväntade sambandet? Förklara kurvformen med hjälp av teorin för en pn- övergång. Förklara temperaturberoendet. Kapacitansmätning av en pn- övergång En möjlig uppkoppling för att mäta kapacitansen som en funktion av spänningen för en pn- övergång kan ses i 2. + - Kapacitansmeter Figur 2 Mätuppställning för kapacitansmätning för en bipolär npn- transistor med flytande kollektor. Mellan basen och emittern (alternativt över en diod) kopplas en kapacitansmeter, som i sin tur är kopplad till en potentiometer. Potentiometern används för att manuellt styra den pålagda DC- spänningen. Den applicerade spänningen mäts med en voltmeter. För dessa kapacitansmätningar ska spänningen varieras mellan - 2 och 1 med steg om 0,2. För dessa spänningar antecknas den erhållna kapacitansen och då detta görs på ett analogt mätinstument är det viktigt att avläsningen görs så noggrant som möjligt. På kapacitansmetern kan man ändra skala på de visade värdena men det kan vara små avvikelser mellan de olika skalorna. Försök därför att hålla så många värden som möjligt inom samma mätområde för så hög mätprecision som möjligt. När mätningarna utförts, plotta kapacitansens som funktion av spänningen i Matlab och studera hur kapacitansen ändras med spänningen.
Kontrollfrågor Förklara utseendet på kurvan med hjälp av teorin. Kan man se två stycken överlagrade kapacitansbidrag? o I så fall, vilka är de olika bidragen och hur beror de på spänningen? Hur kan man från den uppmätta kapacitansen extrahera den inbyggda spänningen, U!"? Strömmätningar av en bipolär npn- transistor För att fullt kunna karaktärisera en bipolar transistor och studera dess operation är det nödvändigt att kunna mäta bade bas- och kollektorström samtidigt som man applicerar spänningar på dessa terminaler. En koppling som kan åstadkomma denna mätning ses i figur 3. A + - A Figur 3 Mätuppställning för mätning av både kollektor- och basströmmen för en bipolär npn- transistor. Till båda terminalerna är en potentiometer kopplad som gör att spänningen på dem kan styras. Spänningarna mäts med voltmetrar och strömmarna mäts med seriekopplade amperemetrar på kollektor- och basterminalen. Emittern fungerar i detta fall som referensnivå. Ett antal svep ska utföras med denna mätuppställning under laborationen. Dels kommer kollektorspänningen att svepas vid konstant basspänning och dels kommer basspänningen att svepas vid konstant kollektorspänning. Plotta i Matlab och studera hur både bas- och kollektorströmmen beter sig som en funktion av kollektorspänning och basspänning. Kontrollfrågor Hur förhåller sig basströmmen gentemot kollektorströmmen? Då basspänningen sveps, vad är det resulterande sambandet mellan strömmarna och den pålagda spänningen? o Är detta förväntat? Då kollektorspänningen varieras, förklara kollektorströmmens beteende och notera de olika arbetsmoderna. Studera speciellt strömmen vid U!" = 0. o Hur kan man med hjälp av kollektorspänningssvepet extrahera Earlyspänningen?
Analys av uppmätt data En del analys kan utföras på den uppmätta datan. Förutom att datan ska plottas upp så kan datan användas för att studera den bipolära transistorn och extrahera relevanta parametrar. Strömmen som funktion av spänningen för en pn- övergång Plotta i samma graf I som funktion av U för pn- övergången vid både rumstemperatur och i flytande kväve. Plotta därefter samma data med strömmen logaritmerad. Som nämnts i kursboken så dominerar diffusionsströmmen vid normala spänningar, dock vid låga och höga spänningar så är det andra strömmar och effekter som dominerar och påverkar kurvans utseende. Resultatet på en lin- log- skala blir därför en kurva vars lutning ändras för olika spänningsintervall. Bestäm lutningen för de olika intervallen med hjälp av regressionsanalys och från de erhållna värdena bestäm idealitetskonstanten. Utifrån värdena för idealitetskonstanten, bestäm vilken ström som är den dominerande för respektive spänningsintervall. C tot som funktion av U BE Den totala kapacitansen består av två olika kapacitanser som bidrar olika mycket beroende på vilken spänning som ligger över pn- övergången. Plotta C tot som funktion av U och förklara utifrån teorin varför kapacitansbidraget ändras vid framspänning. Plotta också 1/C 2 som funktion av U och därefter anpassa en linje med hjälp av regressionsanalys i det backspända området. Använd denna anpassade linje för att bestämma U bi. I C samt I B som funktion av U CE Transistorn jobbar vid olika arbetsmoder vid olika spänningar. Ge en kortare beskrivning av de olika arbetsmoderna. Plotta I C och I B som funktion av U CE. Identifiera de olika arbetsmoderna samt ange mellan vilka spänningar som respektive arbetsmod gäller. Storleken på de två strömmarna, I C och I B, avviker från varandra och detta är grunden för att den bipolära transistorn ska kunna användas i förstärkarsammanhang. Strömförstärkningen, β, är kvoten mellan I C och I B. Plotta β som funktion av U CE. Utifrån den plottade grafen, ange inom vilket intervall transistor bör operera för att man ska få ut en maximal strömförstärkning. En annan viktig parameter för transistorn är Earlyspänningen, A. Beskriv kortfattat vad som orsakar Earlyeffekten samt vilken effekt den i praktiken har på transistors egenskaper. Utifrån uppmätt data, bestäm Earlyspänningen för den uppmätta transistorn. I C samt I B som funktion av U BE Plotta I C och I B som funktion av U BE med linjära skalor. Identifiera vilken eller vilka arbetsmoder transistorn opererar i och mellan vilka spännings intervall detta sker. Plotta också de logaritmerade strömmarna, med både I C och I B i samma graf, och extrahera idealitetskonstanterna. Kommentera de erhållna värdena baserat på den rådande teorin. Strömförstärkningen, β, kan också extraheras ur den uppmätta datan. Utför denna extrahering och kommentera hur β varierar med den pålagda spänningen i det uppmätta intervallet. Redovisning Redovisa dina resultat och svar på kontrollfrågorna för handledaren innan laborationens slut. Har allt gått bra är du därmed godkänd på laborationen.