1、 4-1 實驗四 接面電晶體 一、 實驗 器材 二、 預備 知識 1. 電晶體的構造及 特 性 1-1 . 電 晶體的 物理結構 在兩塊 n 型半導體之間夾一片很薄的 p 型半導體，或在兩塊 p 型半導體之間夾一片 很薄的 n 型半導體，如圖 1 所示，即成為電晶體。 特徵： (1) n + , n (p + , p) 為不對稱摻雜。 (2) B 端非常薄。 1-2 電晶體的偏 壓 與電流 特性 以 npn 電晶體為例 ， 如圖 2(a) 在 BE 端間加上 順向電壓時，只 要 V BE 能夠克服 BE p-n 接合面的位障（Si 0.7V）， 則產生順向電流，與一般二極體之特性一樣，此時 I
2、 E I B 。 名 稱 數量 名 稱 數量 pnp 電晶體 3 電阻 100 1 npn 電晶體 3 電阻 1 k 1 可變電阻 1 k 1 電阻 47 k 1 可變電阻 10 k 2 電晶體測試棒 1 圖 1 電晶體的物理結構 (a) npn (b) pnp。 (a) E B C n +n p (b) E B C p +n p 4-2 若如圖 2(b) 在 CB 端間加上一個逆向電壓 V CB ，則 因 CB 為逆向偏壓 ，故 p-n 接合面不導 電，I B I C 0。 但是 ， 若把圖 2(b) 的 BE 間加上順向的電壓 ， 成為圖 2(c) 時 ，由 圖 中 我們知道 I E I
3、B I C 。E 端內之電子 由於 BE 順向偏壓大量進入 B 極 ， 但是因為電晶體的 B 極很薄且摻雜 程度很低，因此只有極少數的電子與 B 極內之電洞結合而造成微小的電流 I B ，大部份進 入 B 極的電子還未與電洞結合就因為受到 V CB 的影響而進入 C 極造成大量的電流 I C ， 因 此 I C I E I B 。對 pnp 電晶體而言也是同樣的道理，只是電子與電洞之角色互換而已。 1-3 電晶體的 比較圖 2(b) 和圖 2(c) ，我們可以發現 I C 之存 在與否可由 V BE 加以控制。若 BE 不加順 向偏壓 V BE 則 I B 0，I C 0，一旦加入了適當的 V
4、 BE 產生了 I B 後才 能有 I C 的產生。由於 I B I C ，而我們只要控制 I B 即可控制 I C ，也就是說我們可以藉由為小電流 I B 來產生大電 (b) I B= I C= 0 V CBE B C I CI Bn +n p (a) I E= I Bn +n p I EI BV BEE B C (c) I E= I B+ I CI CE B C I EI BV BEV CBn +n p e 圖 2 電晶體工作時各端之偏壓與電流之關係 4-3 流 I C ， 於是電晶體就具有 電流之放大作用 。 人 們把電晶體的電流放大率以 或 h FE 表之， 其定義為： B C FE
5、I I h = = 一般電晶體的 10300， 300 的電晶體比較少。 由以上的說明 ， 我們也 知道了電晶體三端的名稱是有由來的 。 射極 E (Emitter) 專門發 射電洞或電子，而集極 C (Collector) 收集電子或電洞，基極 B (Base) 則用以控制電流 之大小。 1-4 電晶體的偏 壓電源 與 電路符號 欲使電晶體工作 ， 其偏壓之配置應如圖 2(c) 所示 ， 電路中需要兩組電源 V BE 與 V CB 。 但在實際應用時，為省卻使用兩組電源之不便，通常只使用一組電源 V CC 供應，而 V BE 則 利用電阻器從 V CC 的分 壓而得，如圖 3 所示。 (a)
6、 npn V BEE C n +p n R 1R 2B V CC+ (b) pnp V BEE C R 1R 2B p +n p V CC+ 圖 3 電源 V CC 與電阻分 壓 V BE 4-4 電晶體的電路符號如圖 4 所示。符號中的箭頭有三大重要意義： (1) 用以區分 npn 和 pnp。npn 的箭頭向外，pnp 的箭頭向內。 (2) 用以區別 E 和 C 。E 有箭頭，C 沒有畫箭頭。 (3) 箭頭表示電流的流通方向。 1-5 電晶體的 除了 之外 ， 電晶體還有一種電氣參數稱為 ， 它是用來表示 I C 與 I E 的比值 。 亦可使 用 h FB 表之，定義如下： E C I
7、I = 由於 I C 略小於 I E ，故 略小於 1。 1-6 與 之關係 由於人們設計或分析電路時 ， 較常用到的 是 ， 因此在電晶體製 造商提供的規格表中都可 以查到 的大小。 與 的關係為： E C I I = ( ) + = + = = 1 1 B B E C I I I I + = 1or = 1圖 4 電晶體的電路符號 (b) pnp C E B (a) npn C E B 4-5 2. 電晶體的 V-I 特性曲線 吾人通常以 V CE - I C 特 性曲線 ， 其次為 V BE - I B 特性曲線來描述電晶體之特徵 。 V BE - I B 特 性曲線是用來描述輸入電流和
8、輸入電壓之間的關係 ， 所以稱為輸入特性曲線 ， 如圖 5(a) 所 示。V CE - I C 特性曲線 亦稱為輸出特性曲線，如圖 5(b) 所示，它不 但描述了 I B 與 I C 間之 關係，而且告訴我們 V CE 與 I C 間之關係，V CE - I C 特性曲線可方便於 分析或設計電晶 體 電 路。 工作一：以三用 表 判斷電晶體是 pnp 或 npn 1. 拿數個電晶體，以三用表判斷電晶體是 pnp 或 npn。應多做幾次，直至非常熟練。 2. 方法如下： (1) 三用表旋至 R1K 或 R100，然後將試棒接觸在三個接腳中的兩個接腳，使三用表 的指針產生大偏轉，此時這兩個接腳中必
9、有一為基極 B 。 (2) 任一試棒移至第三接腳 （剛才空著的那個接腳） ， 若三用表指針仍然 產生大偏轉 ， 則 試棒沒動的那個接腳為基極 B 。 如果試棒移至 第三接腳時 ， 三用表之指針偏動甚小， 那麼表示試棒移開的那腳為基極。 圖 5 電晶體 V-I 特性曲 線 圖 5(b) 輸出特性曲線 I B= 150 A I B= 200 A I B= 100 A I B= 50 A I B= 0 A 10 20 30 40 I C(mA) 5 10 15 V CE(V) 圖 5(a) 輸入特性曲線 V BE0.2 0.6 1.0 20 60 I B(mA) 100 4-6 (3) 上述測試，指
10、針偏轉很大時，若接觸在基極的是紅色測試棒，則此電晶體是 pnp 電 晶體。反之，若 指針偏 轉很大時接觸在 基極的 是黑測試棒，那 麼你所 測的是個 npn 電晶體。 工作二：以三用 表 判斷電晶體之 E 、B 、C 1. 以工作一之方法找出 B 極。 2. 基極找出後，假定所剩的兩腳其中一為 C ，一為 E ，如圖 6 所示。 3. 以 npn 電晶體為例 ，三用表轉至 R1K ，把紅棒（輸出負電壓）接在假定的 E ，而黑棒 （輸出正電壓） 接假定的 C ， 然後用手指同時 碰觸 B 與 C ， 但不得讓 BC 兩極直接接觸， 如圖 7 所示 。 此時指針若有偏轉 ， 則接腳的假設定正確的
11、， 若指針在手碰觸 BC 兩極時 不產生偏轉 ， 則你的假設恰與實際相反 ， 其原理以圖 8 說明之 。 當假定正確時 ， 電晶體 E 圖 7 以手指接觸 BC + R 1K B E C 紅 黑 圖 6 假設兩腳為 C 或 E C B E? ? 圖 8 以三用電表判別電晶體 C 、E 端之原理 (a) 若 C 、E 端假設正 確 + 黑棒 紅棒 C E B R (b) 若 C 、E 端假設不正確 C R B E 黑棒 紅棒 + 4-7 晶體與手指之電阻 R 及 三用電表之電壓輸出組成之電路即為圖 8(a) ，BE 因順向偏壓而 導通，於是 CE 有電流 導通，因此指針指示低電阻。若假設錯誤則如
12、圖 8(b) 所示，BE 無偏壓而不導通，於是 CE 無電流導通，因此指針因指示高電阻而不偏轉。 4. 如果所測的是 pnp 電晶體，那麼情形恰與步驟 3 相反，黑棒接在假定的 E 端，而紅棒 需接在假定的 C 端。 工作三：以三用 表 測量電晶體的 值與 漏電電流 電晶體的 值： 1. 將三用表置於 h FE 檔， 並作 0 調整。 2. 若欲測之電晶體為 npn 型 ， 則把三用表右側之極性選擇置於 NPN 位置 ； 若欲測之電晶 體為 pnp 型，則極性選 擇置於 PNP 位置。然後把 E 、B 、C 三隻接 腳如圖 9(a) 所示接 好。 3. 電晶體的 值直接由標有 FE h 之刻度
13、讀取即可。 漏電電流 I CEO 的測量 ： 承上，把夾在基極那個夾子拿開（即讓基極空置，不接任何東西） ，如圖 9(b) 所示， I CEO 直接由標有 LI 之 刻度讀取即可。 （LI 之 滿刻度為 8mA ） 註：I CEO 愈小愈好，通 常幾乎為 0，否則該電晶體為不良品。 4-8 工作四：觀測 I E 、I B 、I C 之關係 1. 裝置圖 10 之電路。假如電晶體為 npn 型則電路如圖 10(a) ，若電晶 體為 pnp 型則裝置 圖 10(b)之電路。 (a) 電晶體的 值的量測 hFE NPN COLLECTOR BASE EMITTER hFE C E B 圖 9 三用電
14、表測量電晶體的 值與漏電電流 (b) 漏電電流 I CEO 的測量 COLLECTOR BASE EMITTER hFE NPN GOOD BAD L I C E B I EI CI B圖 10 量測電晶體 I B 、I E 、I C接線圖 (a) npn 電晶體 (b) pnp 電晶體 I EI CI B + A 10 k (B) + mA + mA V CC + 1 k 10 k (B) + mA + mA + A V CC+ 1 k I EI CI B 4-9 2. 圖中的三個電流表可以使用三用電表的 DC mA 檔。V CC DC 69 V 皆可。 3. 調整 10 k 的可變電阻器，
15、使集極電流 I C 2 mA. 4. 記下此時之電流值。 I B A ，I E mA ，I C mA 。 5. 用下式計算 值： = = E C I I = 。 此即本電晶體在 I C 2 mA 時之 值。 6. 用下式計算 值： = = B C I I = 。 7. E C B I I I = + 嗎？若上式無法成立，試述其原因。 8. 仔細比較圖 10(a) 和圖 10(b)，你發現使用不同 極性（npn 和 pnp）之 電晶體時，電路有 何差異？ 工作五：測繪電 晶 體之 V CE -I C 特性曲線 1. 按照圖 11 接線（Vcc = 12V ） 。 + V V CE+ mA I C
16、1k VR 210 k (B) + A I B47 k VR 110 k (B) V CC+ 圖 11 量測電晶體 V CE I C 特性曲線接線圖 4-10 2. 假如電晶體使用 pnp，請將圖 11 修正後繪於圖 12。 3. 電源 V CC 使用 DC 12 V 。 4. 調節 VR 1 使 I B 0 A 。 5. 調節 VR 2 使 V CE 依次為 0.1 V 0.2 V 0.3 V 0.5 V 1.0 V 2.0 V 3.0 V 4.0 V 5.0 V 6.0 V （當 I B 較大時，V CE 可能無法 達到 6V ，則只作到 V CE 上限即可） ，並記 下每一次之對應 I
17、C 值於表 1 中。 （注意！調節 VR 2 時，I B 可能會變動，此時應調節 VR 1 使 I B 為指定之 恒值。） 6. 轉動 VR 1 使 I B 值 如表 2 至表 7 所列之 I B 值，仿照步驟 5 之方法測量 V CE 與 I C 之關係， 並將結果分別記錄於表 2 至表 7 之對應位置。 7. 仿照圖 5(b) 之形式， 利用表 1 至表 7 之資料，繪製 V CE I C 特性曲 線於圖 13 中。 4-11 實驗四 接面電晶 體 組別： 學號： 姓名： 同組同學姓名： 日期： 教師簽署： 一、電晶 體極性測試與 值 二、觀測 I E 、I B 、I C 之關係 I C
18、2 mA I B A ，I E mA ，I C mA 。 = = E C I I = 。 此即本電晶體在 I C 2mA 時之 值。 = = B C I I = 。 E C B I I I = + 嗎？若上式無法成立，試述其原因： 編 號 pnp/npn E 、B 、C I CEO 4-12 仔細比較圖 10 (a)和圖 10 (b) ， 你發現使用不同極性 （npn 和 pnp） 之電晶體時 ， 電路有 何差異？ 三、 圖 12 pnp 電晶體之接線圖 表 1 I B= 0 A V CE (V) 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 I C (mA)
19、 表 2 I B= 10 A V CE (V) 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 I C (mA) 表 3 I B= 20 A V CE (V) 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 I C (mA) 表 4 I B= 30 A V CE (V) 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 I C (mA) 4-13 四、討論 表 5 I B= 40 A V CE (V) 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 I C (mA) 表 6 I B= 50 A V CE (V) 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 I C (mA) 表 7 I B= 60 A V CE (V) 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 I C (mA) 圖 13 編號 電晶體之 V CE -I C 特 性曲線 V CE(V) I C(mA) 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 0 5 10 15
