Bài tập Lab 1: Đặc tính của Transistor tiếp giáp lưỡng cực | Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

Thí nghiệm 1 Thí nghiệm 1
Đặc tính của Transistor tiếp giáp lưỡng cực Giới thiệu
Mục tiêu của thí nghiệm này là quan sát đặc tính hoạt động của
bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT). Các phương pháp trích xuất
thông số thiết bị cho mục đích thiết kế và mô phỏng mạch cũng được trình bày.
Các biện pháp phòng ngừa
Các bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực không sử dụng oxit cổng mỏng, dễ
vỡ như MOSFET và do đó chúng có khả năng chống lại hư hỏng do
phóng tĩnh điện (ESD) mạnh hơn nhiều. Vì cả ba dây dẫn của BJT đều được
kết nối với nhau bằng các tiếp điểm pn bên trong nên các điện tích nhỏ
có thể thoát ra qua dòng điện rò rỉ của các tiếp điểm này và các điện tích
tĩnh sẽ sớm bị tiêu tán bên trong. Vì những lý do này, BJT thường có thể
được xử lý thoải mái và hiếm khi bị ESD làm hỏng. Điều này làm cho
họ rất dễ chịu khi làm việc cùng. RB Em yêu/R. Yotter/T. Trần Sổ tay thí nghiệm EE-332 Trang E1.1 Thí nghiệm 1
Quy trình 1 Dẫn đầu cơ sở BJT và xác định giới tính Cài đặt
Xác định vị trí của loại 2N3904 BJT trong bộ phụ kiện. Đây phải là thiết bị ba
dây dẫn được đựng trong một gói TO-92 bằng nhựa nhỏ. Bật DMM và định cấu hình
nó để đo điện trở (hai dây). Cắm dây thử móc bóp màu đen vào giắc chuối âm ()
của đồng hồ và dây thử móc vắt màu đỏ vào giắc chuối dương (+) của đồng hồ. Mục
tiêu của quy trình này là xác định dây dẫn nào của BJT là cơ sở và liệu BJT là
thiết bị npn hay pnp chỉ sử dụng chức năng ohmmeter của DMM. Đồng thời xác định
vị trí một diode 1N4148 sẽ được sử dụng để tham khảo.
Phép đo-1 Đo điện trở của diode 1N4148 bằng DMM ở cả hai
hướng phân cực thuận và nghịch. Lưu ý rằng dây dẫn màu đỏ từ đầu vào (+) của DMM
là dây dẫn sẽ có điện áp dương hơn cho loại thử nghiệm này. Ghi lại các số đọc này
vào sổ ghi chép trong phòng thí nghiệm của bạn và lưu ý các số đọc này là
“điển hình” cho tiếp giáp pn phân cực thuận và nghịch. Sau đó, bạn có thể tham
khảo các số liệu này để xác định tính phân cực của các điểm nối pn tồn tại trong BJT.
Hãy nhớ lại rằng BJT có các tiếp điểm pn giữa đế và cả cực phát và cực thu.
Sử dụng DMM trong ohmmeter của nó
cài đặt để kiểm tra các cặp dây dẫn trên BJT và từ đó xác định dây dẫn cơ sở
trên thiết bị. Từ cực tính làm cho cực cơ sở dẫn điện, hãy suy ra xem BJT là thiết bị npn hay pnp.
Khi đã xác định được dây dẫn cơ sở, có lý do là các dây dẫn còn lại phải là bộ
phát và bộ thu. Một vài phép đo sẽ
tiếp theo được thực hiện để kiểm tra xem hai đạo trình còn lại này có
thể được phân biệt bằng phép đo DMM hay không. Trước tiên, hãy sử dụng DMM, một
lần nữa trong cài đặt ohmmeter của nó, để đo điện trở giữa bộ phát và bộ thu khi
cực cơ sở được mở mạch. Hãy thử điều này với cả hai cực của dây dẫn DMM. Tiếp
theo, sử dụng DMM để đo điện trở giữa bộ phát và bộ thu với đế ngay bây giờ
được kết nối với dây dẫn () của DMM ngoài dây dẫn bóng bán dẫn khác đã
có sẵn ở đó. Một lần nữa, hãy thử điều này theo cả hai hướng phân cực. Cuối
cùng, sử dụng DMM để đo điện trở giữa bộ phát và bộ thu với đế được kết nối với
dây dẫn (+) của DMM ngoài dây dẫn bóng bán dẫn khác đã có sẵn ở đó.
Một lần nữa, hãy thử cả hai hướng phân cực. Bạn sẽ kết thúc với tổng cộng sáu
phép đo điện trở: 3 điều kiện cơ bản khác nhau (mở, điện áp thấp, điện áp
cao) nhân với 2 cực điện áp thử nghiệm bộ phát/bộ thu. RB Em yêu/R. Yotter/T. Trần Sổ tay thí nghiệm EE-332 Trang E1.2 Thí nghiệm 1 Câu hỏi 1
Từ các phép đo ở trên, hãy tóm tắt những phát hiện của bạn về 2N3904
BJT đã cho vào sổ ghi chép của bạn. Vẽ hình ảnh gói thiết bị và
dán nhãn các dây dẫn một cách thích hợp là E, B, C. (Thông
thường, thực hiện việc này với hình ảnh thiết bị nhìn xuống thiết
bị với các dây dẫn hướng ra xa bạn, như thể nó được hàn vào một
bảng mạch in. Điều này thường được gọi là hình ảnh nhìn từ phía
thành phần, liên quan đến mặt thành phần của bảng mạch.) Có thể phân
biệt dây dẫn bộ phát với dây dẫn bộ thu chỉ bằng cách sử dụng một
ohm kế không? Giải thích lý do tại sao và tại sao không. Tra cứu bảng
dữ liệu về 2N3904 và so sánh các suy luận của bạn với thông số kỹ
thuật của nhà sản xuất. Thiết bị đầu cuối cơ sở thường được
coi là thiết bị đầu cuối “điều khiển” cho BJT, vì nó điều khiển dòng
điện từ bộ phát đến bộ thu. Với dây dẫn đế được mở mạch,
BJT là thiết bị “bình thường bật” hay “thường tắt”? Giải thích
câu trả lời của bạn liên quan đến các tiếp điểm pn bên trong của BJT
và chúng phải bị sai lệch như thế nào để xảy ra hiện tượng dẫn điện. Bình luận
Nhiều DMM có chức năng riêng để kiểm tra mối nối pn. Trên một số
máy đo, đây là một tùy chọn về phép đo điện trở. Ở chế độ này,
thường được gọi là “kiểm tra điốt”, DMM tạo ra dòng điện không đổi
khoảng 1 mA và nó đo điện áp giữa hai dây dẫn mà không tính toán điện
trở. Điện áp đo được là điện áp bật của tiếp điểm pn đối với dòng
điện 1 mA, nếu diode được phân cực thuận. Nếu diode bị phân cực
ngược thì DMM không thể truyền dòng điện 1 mA vào diode và điện áp
trên diode tăng lên đến giới hạn phạm vi trên của DMM, thường là
khoảng 1,5 đến 2,0 Vôn. Một số máy đo đưa ra chỉ báo vượt quá phạm vi
trong trường hợp này. Sử dụng chức năng diode của DMM là một cách
khác để thực hiện các thử nghiệm trên và nó cung cấp thông tin dễ
hiểu hơn về điện áp tiếp giáp điển hình của BJT. RB Em yêu/R. Yotter/T. Trần Sổ tay thí nghiệm EE-332 Trang E1.3 Thí nghiệm 1
Quy trình 2 Đo BJT & Sự phụ thuộc của mức F trên bộ thu dòng điện Cài đặt
Để thiết lập giao diện người dùng này, hãy sử dụng các phần sau: RB = 1,0 MΩ 5% 1/4W RC = 10,0 kΩ 5% 1/4W
Các phép đo sẽ được thực hiện với bộ phát ở mức tham chiếu
điện thế mặt đất. Bộ nguồn PPS1 và PPS2 lần lượt được sử dụng để
kích thích bộ thu và điện áp cơ sở. Sau đó, các điện trở cảm biến
dòng điện RC và RB và BJT cần thử nghiệm được kết nối như
trong Hình E1.2a bên dưới. PPS2 PPS1 DMM1(+) RB RC VRC 1,0 triệu 10,0k VRB DMM1(-) DMM2(+) C BJT ĐANG THỬ NGHIỆM B Q VCE 2N3904 E PPS DMM2(-) GND GND Hình E1.2a
Điện áp kích thích VCC là từ nguồn điện PPS1. Điện áp này được đặt qua
kết nối nối tiếp của điện trở giới hạn dòng RC = 10,0 kΩ, dây dẫn cực
thu-cực phát của thiết bị được thử nghiệm (DUT) và điện trở cảm biến
dòng thu R = 10,0 kΩ. Như vậy VCC = VCE + VRC.
Điện áp của DMM1 tương đương với điện áp VRB, trong khi điện áp từ DMM2 là điện áp VCE.
Đo lường-2 Điều chỉnh PPS2 để tạo ra điện áp +1,0 Vôn. Sau đó điều chỉnh PPS1
từ 0,0 V đến 5,0 V với mức tăng 1,0 V. Đo VRB và VCE
với DMM. Nếu hai DMM không có sẵn tại phòng thí nghiệm của bạn, bạn
có thể phải chuyển đổi qua lại giữa hai thiết bị đầu cuối ở DMM1
và DMM2. Tính IB=VRB/1.0 MΩ và IC=(PPS1-
VCE)/10,0 kΩ. Ghi IB, IC và VCE vào bảng trong sổ tay của bạn. RB Em yêu/R. Yotter/T. Trần Sổ tay thí nghiệm EE-332 Trang E1.4 Thí nghiệm 1 Tăng PPS2 0,5 V và lặp lại cho đến khi đo được ít nhất ba các cặp (IC,VCE) khác nhau. Sử dụng một số giấy vẽ đồ thị, vẽ các đặc tính IV (IC vs VCE) của BJT. Câu hỏi 2 Tính giá trị F = IC/IB cho mỗi điểm đo và quan sát xu hướng chung của dữ liệu như là một hàm của mức dòng điện cực thu. Vẽ đồ thị F theo IC cho các điểm
tương ứng với điểm vận hành thuận có điện áp VCE = 3,0 Volts. Nhận xét về sự phụ thuộc của F vào IC, và từ đồ thị của bạn, hãy ước tính giá trị của IC sao cho giá trị lớn nhất của F. Bình luận Ở các giá trị thấp của dòng cực thu, các quá trình tái tổ hợp thế hệ trong mối
nối cực cực-cực phát tạo ra dòng cực gốc bổ sung không liên quan đến dòng cực góp tỷ lệ. Do đó, ở mức dòng điện
thấp, độ lợi dòng điện giảm. Ở giá trị cao
của dòng thu, điện trở nối tiếp và hiện
tượng tiêm mức cao trở nên quan trọng, cả
hai đều khiến mức tăng dòng điện giảm ở vùng này. Tất cả các BJT đều
có một “điểm ngọt ngào” được thiết kế để mang lại mức tăng dòng điện tối đa.
Thông thường, các thông số vận hành khác như vì đáp
ứng tần số, hiệu suất sử dụng điện và tạo ra tiếng ồn tối thiểu cũng được tối ưu hóa xung quanh khu vực này. Chắc chắn có thể sử dụng BJT bên ngoài vùng có mức tăng dòng tối ưu này,
nhưng người ta phải chịu sự suy giảm tất cả các tham số này khi thực
hiện như vậy. Bảng dữ liệu của nhà
sản xuất cung cấp thông tin rất chi tiết về mức độ thay đổi của tất cả các thông số này tùy theo mức dòng điện của bộ thu. Một chút nỗ lực dành cho
việc kết hợp các đường cong hiệu suất này
với một thiết kế nhất định sẽ mang
lại hiệu suất mạch tốt hơn nhiều. RB Em yêu/R. Yotter/T. Trần Sổ tay thí nghiệm EE-332 Trang E1.5 Thí nghiệm 1
Quy trình 3 Đo độ dẫn điện đầu ra của BJT Bình luận
Các đường cong đầu ra đặc tính của BJT không nằm ngang chính xác trong
vùng hoạt động thuận chiều. Độ dốc nhỏ mà các đường cong thể hiện
trong vùng này là độ dẫn điện đầu ra của chúng. Nếu BJT hoạt động
giống như một nguồn dòng lý tưởng thì dòng điện đầu ra sẽ không phải là
hàm của VCE và các đường cong sẽ thực sự nằm ngang. Sự gia tăng nhẹ IC
này như là một hàm của VCE trong vùng hoạt động thuận có thể được biểu
thị bằng độ dẫn nhỏ song song với nguồn dòng lý tưởng trong mô hình BJT. Cài đặt
Bắt đầu từ cách thiết lập tương tự như trong Quy trình 2 ngoại trừ việc sử dụng RB = 100 kΩ và RC = 1,0 kΩ.
Phép đo-3 Tiếp theo, lắp điện trở 10 kΩ song song với các cực cực phát và cực thu của BJT
2N3904 đang được thử nghiệm. Điều này sẽ mô phỏng bổ sung
độ dẫn điện đầu ra để nhấn mạnh những ảnh hưởng đến đặc tính đầu ra IV
của bóng bán dẫn. Điện trở này mô phỏng tác dụng tăng độ dẫn đầu ra của
BJT. Lặp lại quy trình trước đó để tạo đồ thị (IC, VCE). Câu hỏi-3
Vẽ các đặc tính của BJT mà không cần thêm điện trở 10 kΩ
đã kết nối, sử dụng Excel để tính độ dốc của đường cong đầu ra theo
đơn vị Ω1 (hoặc Mhos, Siemens hoặc S).
Không giống như khi kết nối điện trở 10 kΩ, giá trị độ dẫn đầu ra của
BJT sẽ có xu hướng tăng tỷ lệ với dòng điện của IC thu. Độ dẫn
điện đầu ra thường được biểu thị bằng ICsat, trong đó  là hằng số có đơn vị là V1 . ICsat là giá trị
bão hòa của dòng cực thu hoạt động thuận, tức là dòng điện dẫn đến
không có bất kỳ độ dẫn điện đầu ra nào và thường được đo gần điểm bão
hòa của đường cong đầu ra. Sử dụng Excel, tìm giá trị phù hợp nhất
của  cho phép các đường cong đầu ra hoạt động thuận gần đúng bằng mối quan hệ IC = ICsat (1 + VCE) . RB Em yêu/R. Yotter/T. Trần Sổ tay thí nghiệm EE-332 Trang E1.6