Esperienza n 7: CARATTERISTICHE del TRANSISTOR BJT

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Adelaide Poli
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1 Laboratorio IV sperienza n 7: CARATTRISTICH del TRANSISTOR BJT 1 sperienza n 7: CARATTRISTICH del TRANSISTOR BJT Caratteristica del transistor bipolare Il transistor bipolare è uno dei principali dispositivi a semiconduttore utilizzato per amplificare elettricamente un segnale o come commutatore digitale Il transistor bipolare (BJT) è un dispositivo costituito da due giunzioni come rappresenta in fig 1 B C n p n Vbe Vcb Fig 1 Schematizzazione di un transistor NPN in conduzione I cristalli di semiconduttore che costituiscono l emettitore ed il collettore sono drogati con materiale pentavalente (tipo n) e la base con materiale trivalente (tipo p) La base è molto sottile (nell ordine del micron) Una differenza importante fra collettore e emettitore è rappresentata dai diversi valori di drogaggio L emettitore svolge la funzione che, se polarizzata direttamente, inietta elettroni nella base ed è fortemente drogato ssendo la base poco drogata gli elettroni possono facilmente raggiungere la giunzione base - collettore (nella base gli elettroni sono portatori minoritari essendo drogata p) e se questa è polarizzata inversamente cioè il collettore si trova a potenziale positivo rispetto alla base, gli elettroni possono raggiungere il collettore e dare luogo ad una corrente (si intende corrente di cariche positive) che dal collettore raggiunge l emettitore Alcuni elettroni iniettati dall emettitore nella base si ricompongono con le poche lacune presenti essendo la base dotata di pochi atomi droganti di tipo p e formano la corrente di base - emettitore Questo meccanismo può anche essere visto altro modo:

2 Laboratorio IV sperienza n 7: CARATTRISTICH del TRANSISTOR BJT 2 se nella giunzione base - emettitore passa una corrente Ib, allora l emettitore emette elettroni che a causa del minimo spessore della base possono raggiungere il collettore e formare una corrente Ic molto più grande della Ib Un transistor di questo si chiama bipolare (BJT) perché la conduzione avviene sia per i portatori maggioritari nell emettitore e collettore che per portatori minoritari nella base sistono due tipi di transistor: il tipo NPN di cui si è parlato ed il cui simbolo è rappresentato il fig 2a ed il transistor PNP presentato in fig 2b Si differenziano fra loro per il disegno dell emettitore, la cui freccia per il tipo PNP sta ad indicare che si iniettano buchi nella base C C B NPN B PNP Fig2a Transistor NPN Fig 2b Transistor PNP Considerando il transistor come una scatola nera si può definirlo come un quadripolo avente due morsetti di ingresso e due di uscita Per il suo utilizzo si richiede pertanto di conoscere le caratteristiche di ingresso e di uscita Lo schema elettrico consigliato è presentato in fig 3 dove il transistore è collegato ad emettitore comune 10k Vbb ua V Ib Vbe TIP 31 B C Ic Vce V ma Vcc quadripolo in esame Fig 3 Schema elettrico per ricavare le caratteristiche di un transistor La caratteristica del transistor collegato in questo modo è la seguente: facendo passare una piccola corrente Ib dentro la base si ottiene un grande passaggio di corrente Ic sul collettore Il rapporto di amplificazione e definito come: β f = h F = Ic/Ib

3 Laboratorio IV sperienza n 7: CARATTRISTICH del TRANSISTOR BJT 3 Questa amplificazione è generalmente compressa fra 30 e 500 e dipende oltre che dalla sua costruzione, anche dalla temperatura del transistor, infatti l espressione della corrente in una giunzione, data nell esperimento del diodo: I d = I 0 (e Vd ηvt 1) dipende dalla temperatura assoluta sia nella corrente I 0 che nel valore dell esponente A parità di tensione applicata ai capi della giunzione, aumentando la temperatura aumenta la corrente nella giunzione Per evitare che le caratteristiche che si stanno ricavando siano compromesse dal forte aumento della temperatura del transistor è necessario limitare la potenza dissipata soprattutto nel circuito di collettore disegnando, prima di iniziare le misure, la curva di massima potenza: Pmax = Vce Ic che nel piano Ic = f(vce) è rappresentata da un iperbole Il transistor in dotazione e del tipo NPN con sigla TIP 31 e può dissipare al massimo 2W, pertanto se la tensione Vce è 2V si può far passare 1A, mentre con Vce = 6V la Ic diventa 0,33A, infine per Vce = 12V la Ic si riduce a 0,16A Si richiede di ricavare la famiglia di curve Ic = f(vce) per Ib = costante come presentato in fig 4 costruendo la tabella 1 Ic ma µA µA 400µA 300µA 200µA µA Vce V Fig 4 Caratteristica Ic = f(vce) per Ib = costante Procedimento: - Impostare una corrente di base 50 µa letta sul tester analogico - Leggere la tensione Vbe sul tester digitale - Variare la tensione Vce e leggere la corrente indicata dal generatore

4 Laboratorio IV sperienza n 7: CARATTRISTICH del TRANSISTOR BJT 4 - Impostare una corrente di base 100 µa e rifare le misure cambiando Vce Ib µa Vce Volt Vbe Volt Ic ma , , Tabella 1 Ricavare una famiglia di curve per valori di corrente di base fino a 500 µa Dagli stessi dati si può ricostruire la famiglia di curve per Vbe = f(ib) con Vce = cost come presentato in fig 5 Graficare β f = f(ic) per Vce = 6 V 0,8 tensione Vbe Volt 0,6 0,4 0, corrente Ib ua Fig 5 Tensione di base in funzione della corrente di base per Vce = 6 V

5 Laboratorio IV sperienza n 7: CARATTRISTICH del TRANSISTOR BJT 5 Dalle caratteristiche ricavate si può osservare che: Impostando una corrente Ib si ha un passaggio di corrente Ic cioè la corrente di comando Ib risulta essere amplificata di un fattore β f poco dipendente da Vce quindi in prima grossolana approssimazione si può ritenere che l uscita (collettore emettitore) del nostro quadripolo sia rappresentabile da un generatore di corrente il cui valore vale Ic = β f Ib La dipendenza della temperatura si può osservare dal fatto che la corrente Ic a parità di Ib cambia se il transistor si scalda Dalla caratteristica di ingresso Vbe = f(ib) si osserva che la tensione Vbe risulta essere compresa fra 0,5 e 0,7 cioè circa costante ed è assimilabile al modello del diodo In definitiva dalle caratteristiche ricavate si può ritenere che il transistor sia rappresentabile dal modello presentato in fig 6 in cui l ingresso è costituito da una resistenza R π di circa 500Ω ed un generatore V γ di 0,5 V oppure per semplificare solo di una V σ di 0,7 V L uscita è composta da un generatore di corrente di valore β f I b R π Vγ β f I b Fig 6 Modello di transistor BJT

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