Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği BMM212 Elektronik-1 Laboratuvarı Deney Föyü Deney#4 Bipolar Junction Transistor (BJT) Karakteristikleri Doç. Dr. Mutlu AVCI Arş. Gör. Mustafa İSTANBULLU ADANA, 2016
DENEY 4 Bipolar Junction Transistor (BJT) Karakteristikleri 1. Amaç Bu deneyin amacı, bipolar junction transistor (BJT) elemanının çalışma prensibinin anlaşılması ve akım-gerilim karakteristiklerinin çıkarılmasıdır. 2. Temel Bilgiler Elektronik 1 laboratuvarında şimdiye kadar yarıiletken diyot elemanının çalışma prensibi, akımgerilim karakteristikleri ve çeşitli uygulamaları incelenmiştir. Bu çalışmalarda diyotun elektronik anahtarlamada ve dalgaların şekillendirilmesinde kullanışlı bir eleman olduğu görülmüştür. Bunun yanında elektronik devrelerde işaret akım ve geriliminin kuvvetlendirilmesi gerekmektedir. Transistör elemanının farklı devre elemanları ile birlikte kullanılmasıyla işaret akım ve geriliminde kazanç ve kuvvetlendirme yapılabilmektedir. Bipolar junction transistor (BJT) ve field effect transistor (FET) (alan etkili transistör) en yaygın iki transistör ailesidir. BJT ve FET devreleri modern mikroelektroniğin temel yapılarıdır. Bu bağlamda her iki elektronik eleman da çok önemli olup belirli uygulamalar için her ikisinin de kendine özgü avantajları vardır. Bipolar Junction Transistor (BJT) BJT ayrı ayrı üç katkılama bölgesi ve buna bağlı olarak oluşan iki pn eklem içerir. Tek bir pn eklemin iki farklı temel çalışma modu (iletim veya kesim durumu) bulunurken, BJT de iki pn eklem bulunduğundan, her bir eklemin kutuplama durumuna göre dört farklı mod oluşur. Bu özellik transistorün farklı özelliklerde işlemleri gerçekleştirmesini mümkün kılar. BJT de üç faklı katkılama bölgesine bağlı olarak üç farklı terminal bulunur. BJT transistörün temel çalışma ilkesi ortak bir terminale doğru, referans alınan bir terminalden akan akımın üçüncü terminalden ortak terminale akan akımı kontrol etmesidir. BJT deki bipolar (çift kutuplu) terimi, iletim akımının hem hole hem de elektronlar tarafından meydana getirildiği için kullanılır. Transistörün Yapısı BJT nin iki farklı tipi olan PNP ve NPN transistörlerin blok gösterimi Şekil 1 de görülmektedir. NPN transistör iki n bölgesi arasında ince bir p bölgesi içerirken; PNP transistör iki p bölgesi arasında ince bir n bölgesi içerir. Buradaki üç farklı katkılama bölgesi ve bunların terminalleri emiter (yayıcı), baz (taban) ve kolektör (toplayıcı) adını alır. BJT nin çalışma prensibini birbirine yakın olarak konumlandırılmış iki pn eklemine dayanır ve buna bağlı olarak baz bölgesinin yeterinde dar olması gerekmektedir ( ).
Şekil 1 Transistörlerin blok gösterimi ve sembolleri (a)npn ve (b)pnp Şekil 1 de gösterilen transistör yapıları temsili olarak kullanışlı olsa da transistorün gerçek yapısı daha karmaşıktır. Şekil 2 bir entegre devre içersinde oluşturulmuş olan klasik bir NPN transistorün kesit görüntüsünü temsil etmektedir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta elemanın elektriksel olarak simetrik olmayışıdır. Buradaki elektriksel asimetriklik, emiter ve kolektör geometrilerinin aynı olmayışı ve katkılı bölgelerin katkılama konsantrasyonlarının birbirinden oldukça farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Örneğin emiter, baz ve kollektör katkılama oranları sırasıyla düzeylerindedir. Şekil 2 Entegre devre üzerinde üretilen bir npn transistorün kesitsel gösterimi Daha önce de belirtildiği gibi transistör yapısında emiter-baz arasında ve kolektör-baz arasında olmak üzere iki farklı pn eklem bulunmaktadır. Bu pn eklemlerin her birinin ileri yönlü ya da geri yönlü kutuplanmasına bağlı olarak BJT nin farklı çalışma modları meydana gelir (Tablo 1). Transistör ileri aktif modda iken kuvvetlendirici olarak, ters aktif modda, kesim modunda ve saturasyonda ise anahtar olarak kullanılırlar. Adından da anlaşılacağı gibi kesim modunda her iki pn eklem de iletimde olmadığından transistörde herhangi bir akım akmayacaktır.
Tablo 1 BJT nin farklı çalışma modları Mod Emiter-Baz Eklemi Kollektör-Baz Eklemi Kesim Kapalı Kapalı İleri yönlü aktif İletimde Kapalı Ters yönlü aktif Kapalı İletimde Saturasyon İletimde İletimde Şekil 2 deki transistörün karmaşık kesit görüntüsünden kurtulmak için Şekil 3 te basitleştirilmiş bir kesit görüntü verilmiştir. Burada genel akımların aktığı yönler gösterilmiştir. Akım kollektör terminalinden girerek baz bölgesinden geçip emiter terminalinden çıkar. Bunun yanında baz terminalinden girerek emiter-baz eklemini geçip emiterden çıkan küçük değerli bir akım da vardır. Sızıntı akımları göz ardı edilmektedir. Şekil 3 npn transistörün basitleştirilmiş kesit görüntüsü Şekil 4 te bir npn transistörde terminal akımları ile birlikte transistör içinde akan hole ve elektronların yönü gösterilmektedir. Burada akımın akış yönünün elektronların akış yönünün tersine doğru, pozitif yüklü hole akışı yönünde olduğu unutulmamalıdır. Şekil 4 İleri aktif yönde kutuplanmış npn transistörde hole ve elektron akışı Daha önce belirtildiği gibi emiter bölgesinin katkılaması diğer bölgelere nispeten daha fazla olduğundan, n-tipi emiterdeki elektron konsantrasyonu p-tipi bazdaki hole konsantrasyonundan çok daha fazladır. Böylelikle emiterden baza doğru akan elektronların sayısı bazdan emitere doğru akan
hole sayısından çok büyüktür. Bu da baz akımının bileşeninin kollektör akımından çok daha küçük olacağı anlamına gelir. Bunun yanında baz bölgesinin genişliği çok küçük olduğu için baz bölgesinde rekombinasyona uğrayan elektron sayısı da küçük olacak ve baz akımının bileşeni de kollektör akımından çok küçük olacaktır. Transistörün içinde iki pn eklemi bulunur ve bu eklemlerden emiter-baz arasındaki ileri yönlü, kolektör baz arasındaki ise ters yönlü kutuplandığında transistör ileri aktif modda çalışır. Şekil 5 te uygun gerilim değerleri seçilerekileri aktif modda çalıştırılmak üzere kutuplanmış bir npn BJT devresi görülmektedir. Şekil 5 İleri yönlü aktif yönde kutuplanmış npn BJT Emiter Akımı: B-E eklemi ileri yönlü kutuplanan böyle bir transistörde bu eklem boyunca akan akımın (daha önce diyot akımında belirtildiği gibi) B-E arasına uygulanan gerilimin üstel fonksiyonu olması beklenir. Bu durumda emiter akımını; olarak yazılır. Burada herzaman olduğundan -1 terimi ihmal edilebilir. Denklemdeki (B- E arası diyotun sızıntı akımı veya ters yönlü saturasyon akımı) çarpanı eklemin elektriksel parametrelerine bağlı olarak yazılmış olan bir sabittir ve değeri düzeylerindedir. Kollektör Akımı: Emiterdeki katkılama konsantrasyonu baza göre daha fazla olduğundan emiter akımının büyük bir çoğunluğunu emiterden çıkarak baza doğru akan elektronlar oluşturur. Burada baz bölgesini geçerek kollektöre ulaşan elektronlar ise kollektör akımını oluşturur. Transistörde kollektöre birim zamanda ulaşan elektronların sayısı, B-E arasına uygulanan gerilim ile orantılı olarak baza gelen elektron sayısı ile orantılıdır. Böylelikle kollektör akımı B-E gerilimi tarafından kontrol edilen baz akımı ile kontrol edilmiş olacaktır. Bu durumda İleri yönlü aktif modda çalışan BJT için kollektör akımı; olarak yazılabilir. Kollektör akımı emiter akımından çok az küçüktür. Emiter ile kollektör akımları arasında;
bağıntısı vardır. Bu bağıntıdaki parametresine ortak-baz akım kazancı denir. Baz Akımı: B-E eklemi ileri yönlü kutuplandığında baz bölgesindeki holler B-E eklemini geçerek emitere akarlar ve Şekil 4 te gösterildiği gibi baz akımının bir bölümünü oluştururlar. İleri kutuplanmış olan B-E ekleminden dolayı bu akım da B-E gerilimi ile orantılı olacaktır. Şekil 4 te gösterildiği gibi az miktarda elektron baz bölgesinde rekombinasyona uğrar ve burada oluşan akım baz akımının diğer bölümünü oluştururlar. Rekombinasyon sonucu oluşan bu akıma aynı zamanda rekombinasyon akımı da denir ve doğrudan emiterden gelen elektron sayısına ve böylece yine B-E gerilimine bağlıdır. Bu nedenle; olarak yazılabilir. Toplam baz akımı iki bileşenin toplamı ile; şeklinde yazılır. Transistörde B-E arasına uygulanan gerilim emiterden çıkıp kollektöre doğru akan elektron sayısını ve dolayısıyla kollektör akımını etkiler. Ayrıca baz akımı da B-E geriliminin bir fonksiyonudur. Bu durumda baz akımı ile kollektör akımının doğrudan birbiri ile orantılı olduğu sonucuna ulaşılır ve; ya da eşitlikleri yazılabilir. Burada ya ortak-emiter akım kazancı adı verilir. değeri genellikle arasında değişiklik gösterir ve transistör üretiminin fabrikasyon sürecine bağlıdır. Bu sebeple aynı aileden iki farlı transistörde farklı (fakat yakın) değerlerde olabilirler. Şekil 6 da bir npn BJT devresi görülmektedir. Bu devrede transistörün emiter bacağı ortak toprağa bağlı olduğu için ortak-emiter devresi denir. Transistör ileri yönlü aktif modda kutuplandığında B-E eklemi ileri yönlü, B-C eklemi ters yönlü kutuplanacaktır. Pn eklemdeki daha önce bahsedilen parçalı lineer model kullanılarak B-E arası gerilimi diyotun açılma gerilimi olan a eşit kabul edilir.
Şekil 6 İleri yönlü aktif modda çalışan NPN BJT nin ortak emiter bağlantısı Olduğundan, kollektöre bağlı olan geriliminin değeri B-C eklemini ters yönlü kutuplamada tutacak kadar büyük olmalıdır. ve ile oluşturulan baz akımı ve buna bağlı kollektör akımı, olarak yazılır. Burada eğer olarak ayarlanırsa B-E eklemine gerilim uygulanmamış ve, olur. Bu durumda transistör kesimde olacaktır. Akım Bağıntıları Transistör bir süper düğüm gibi düşünülüp Kirchoff akım kanunu yazılırsa; olur. BJT ileri yönlü aktif modda kutuplandığında; yazılır. Akım eşitlikleri bir arada yazılırsa; olur. Kollektör-emiter akımları arasındaki ilişki; şeklinde yazılır. idi, buradan; ve yazılır.
Transistörde Bacak Bağlantıları Üretici firmalar tarafından farklı amaçlar ve değerler için farklı transistörler üretilmektedir. Kılıf şekillerine bağlı olarak bacak bağlantıları da farklılık gösterir. Bir transistörde üç bacak bulunur. Bu bacakların transistörün hangi terminaline denk geldiği kataloglarda verilir. Aşağıda belli başlı bazı transistör çeşitlerinin kılıfları ve bacak bağlantıları gösterilmiştir. Multimetre ile Transistör Testi Şekil 7 Farklı transistör çeşitleri ve bacak isimleri Transistörlerin multimetre ile kontrolü için aşağıdaki adımlar takip edilir. Bu adımlar NPN transistör için adımlar verilmiş olup PNP transistörlerde ölçüm sonuçları npn transistörlerinin tam tersi olmalıdır. 1. Multimetrenin siyah probunu (COM) transistörün bazına (B) tutturunuz. Kırmızı probu (pozitif prob) emiter (E) ve kollektöre (C) ayrı ayrı dokundurunuz. Bu adımda küçük direnç okunmalıdır. Aksi halde transistör arızalıdır. 2. Multimetrenin kırmızı probunu transistörün bazına (B) tutturunuz. Siyah probu ise emiter (E) ve kollektöre (C) ayrı ayrı dokundurunuz. Bu adımda büyük bir direnç okunmalıdır. Aksi halde transistör arızalıdır. 3. Multimetre probları emiter ve kollektör bacaklarına ayrı ayrı dokundurulduğunda büyük bir direnç okunmalıdır. Aksi halde transistör arızalıdır. KAYNAKLAR: 1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010 2. Microelectronic Circuit Design, Jeager R., Blalock T., 2011 3. Malzeme Listesi Dirençler : 220kΩ, 2kΩ, BJT : BC237BP Standart deney teçhizatı
Adı, Soyadı: Öğrenci No: 4. Hazırlık Çalışması 1. Aşağıdaki devreyi ekteki katalogtan gerekli transistör parametrelerini kullanarak çözüp ilgili tabloyu doldurunuz ve grafiğini çiziniz. + R2 2k 12Vdc V2 V1 R1 220k Q1 BC237-0 0 0 0 1 2 2.7V 4.7V 6.7V 8.7V 10.7V
5. Deney Çalışması 5.1. Multimetre ile Transistör Testi Transistör bacaklarını belirlemenin en güvenilir yolu, üretici firmanın katalog bilgilerini kullanmaktır. Bunun yanında tipi (npn-pnp), bacakları, değeri ve β kazancı bilinmeyen bir transistörün bu değerleri multimetre ile belirlenebilir. Günümüz multimetrelerinin çoğunda transistörün çalışıp çalışmadığını, tipini belirleyerek beta (hfe) kazancını ölçen fonksiyonlar mevcuttur. Bu testler, transistörün multimetre üzerindeki özel aparata (c, b, e harfleri ile belirtilen) doğru yerleştirilmesi ile gerçekleştirilir. Transistör bacakları bu soketlere doğru olarak yerleştirildiğinde multimetre ekranında β (hfe) değeri görülür. Değerin okunduğu anda bacakların bağlı olduğu terminal isimleri ile transistör bacaklarının isimleri ve tipi belirlenir. 1. BJT ölçüm aparatını multimetre üzerindeki hfe-com yazan soketlere yerleştiriniz. 2. BJT aparatının üzerindeki soketlere (c,b,e) BJT'nin bacaklarını, ekranda hfe değerini okuyana kadar yerleştiriniz. 3. Multimetre ekranında hfe değerini gördüğünüzde aşağıdaki kutucuğa yazınız. 4. Bacakların bağlı olduğu yerde yazan harflerle bacak isimlerini ve transistör tipini belirleyiniz. 5.2. Multimetre Diyot Kademesinde Transistör Testi 1. Multimetreyi diyot kademesine alınız. 2. Multimetrenin bir probunu transistörün rastgele bir bacağına dokundurunuz. 3. Problardan biri transistör bacaklarından birinde sabit dururken, diğer prob transistörün diğer iki bacağına ayrı ayrı dokundurulduğunda ekranda değer gösteriyorsa sabit olan bacak baz terminalidir. Bu adımı baz terminalini bulana kadar tekrar ediniz. 4. Baz terminali belirlendikten sonra multimetrenin değişken olan probu BJT'nin diğer iki bacağına dokundurulduğunda hangi bacak büyük değer gösteriyorsa orası emiter terminali ve okunan değer değeridir. =... Değişken probun küçük değer gösterdiği bacak kollektör terminali ve okunan değer değeridir. β (hfe)=... Transistör tipi :... =... 5. 4. adımda emiter ve kollektör terminallerinin belirlendiği anda sabit tutulan bacaktaki (baz) prob siyah renkli ise transistör tipi PNP, kırmızı renkli ise NPN'dir. Transistör tipi :... 6. 4. adımda bulunan değerlerden büyük olanı küçük değerden çıkardığımızda bulunan değer BJT için yaklaşık olarak değerini verir. =...
5.3. Deney 1 Transistör Akım-Gerilim Karakteristiği 1. Şekil 8'deki devreyi kurunuz. 2. gerilimini değiştirerek tabloyu doldurunuz. 3. Deney sonuç sayfasındaki grafiğe eğrisini çiziniz. R1 Q1 + R2 2k VCC 12v VBB 220k - Q2N2222 Şekil 8 (V) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10
5.4. Deney 2 1. Şekil 9'daki devreyi kurunuz. 2. Osiloskobun x-y modunda grafiğini gözleyiniz. 3. Deney sonuç sayfasına eğrisini çiziniz. 2k Q2 Ch1 12 220k BC237BP/ZTX VAMPL = 10 FREQ = 100 Ch2 10 Gnd Şekil 9 5.5. Deney 3 1. Şekil 10'daki devreyi kurunuz. 2. Osiloskobun x-y modunda ve grafiklerini gözleyiniz. 3. Deney sonuç sayfasına grafiklerini çiziniz. R1 Q1 R2 2k V2 0 VOFF = 0 VAMPL = 12 FREQ = 50 AC = 0-8V 4Vdc V1 220k BC237BP/ZTX Q2N2222 0 0 Şekil 10
Adı, Soyadı: Öğrenci No: 6. Deney 4 Sonuç Sayfası I C V CE I C V CE I C V CE 7. Tartışma Bu deney süresince öğrendiklerinizi kendi cümlelerinizle açıklayınız. Elde ettiğiniz sonuçları yorumlayınız.