應用電子學實驗講義(I)
- 1 -
實驗五 簡易雙極電晶體模型及電路
實驗目的
了解雙極電晶體(bipolar junction transistor， BJT)之簡易模型，並測試射極隨耦器(emitter follower)之特性。
實驗元件
電晶體 2N3904 一枚；電阻 4.7M、1M、470k、100k、47k、4.7k、3.3k、1k、270Ω 各一枚；
精密電阻 1k 一枚。
預習問題
1. 何謂 NPN 電晶體？何謂 PNP 電晶體？如何判定電晶體是何種型？
2. 參考補充資料(一)及電子元件資料，查出 2N3904 的接腳，並簡單敘述一下，如何用電 表辨別電晶體的三隻接腳及判定電晶體是否是好的？
3. 在實驗步驟<二>中，要利用「二極體的特性」實驗中步驟<三>動態二極體特性曲線測 試方法量測BE 接面的特性，請複習「二極體的特性」實驗，並畫出動態特性曲線的電 路配置圖。
4. 用 Pspice 模擬實驗步驟<四>的電路，看會得到甚麼結果？
實驗原理 相關知識
1. 雙極電晶體之簡易模型；
2. 電晶體之電流增盔(β)；
3. 射極隨耦器。
實驗步驟
<一>認識雙極電晶體
雙極電晶體是一個三隻腳的元件，基本上是由兩個很接近且極性相反的pn 接面串接構成，
它的三隻腳分別接到電晶體的射極(emitter，簡寫 E)、基極(base，B)與集極(collector，C)。基 極的摻雜(doping)和其它兩極不同，由此可將 BJT 分為 npn 及 pnp(三個字母分別表示 E、B、
C 三極的摻雜種類)兩類。在這個實驗裡我們所要測試的是一個 npn 電晶體。
如何辨識電晶體的三隻腳？如何判定手邊的電晶體是死是活？
要辨識電晶體的三隻接腳，方法有二：(1)查 data book，你會發現 2N3904 的接腳如圖 5.1：
(2)假如你對上面的答案沒信心，可以自己用數位電表測，同時你也可以知道電晶體的死活。
在說明怎麼測前，讓我們先看一下BJT 的結構：它有點像兩個方向相反的二極體連在一起但 又不十分像(希望你做完這個實驗後，能夠知道他們有何不同)，如圖 5.2：
圖5.1
應用電子學實驗講義(I)
- 2 -
我們可以利用這個不太像的 模型來測電晶體的極性及好 壞。
用DMM 的二極體
檔(即 ohm 檔中之 2k 檔)，此 檔會輸出1mA 的電流給 待測元件，電表顯示的剛好
是待測元件兩端的電壓差(此數值也剛好是電阻以 kΩ為單位之讀值，你知道為什麼嗎？最好 是用別的電錶量測是否輸出為1mA)。用此檔測每對電晶體的腳(共有幾種可能？6 種)，當正 極(紅色)接到 B 極而負極(黑色)接到 C 或 E 極時(for npn transistor only！)，電表會顯示 1mA 通過一二極體的電壓降，約0.6~0.7V。其它接法均不導通。
如何分辨E 和 C 極呢？由於 E 和 C 極的構造並不對稱，由上法所量得的電壓降並不相同，
BC 接面的電壓降比 BE 的電壓降小一點點(只要你的電表有三位有效數字即可看出)。
記錄下你測得不同接面的電壓降？你能分辨出E 和 C 極嗎？和前面查 data book 所得相同嗎？
<二>BE 和 BC 接面二極體
這裡我們要看看BE 和 BC 各兩極間，是不是真的如同上面所說的，是兩個二極體。
1. 先將 C 極浮接(即 float，什麼都不接)，利用「二極體的特性」實驗中動態二極體特性曲 線測試方法量測BE 接面的特性，畫出你所得的特性曲線？調整訊號產生器的 DCoffset，
看能不能找出反向崩潰電壓。
2. 將 E 極浮接，對 BC 二極重複上面步驟。BE 和 BC 兩個接面，那一個崩潰電壓較小？
<三>簡易電晶體模型及電流增益
當我們利用電晶體來做放大器時，電晶體三極的偏 壓通常是調在所謂的“操作模式＂(active mode)，也就是 BE 接面為順向偏壓但 BC 接面為逆向偏壓。這時我們可 以用一個簡單的模型來描述npn 電晶體的行為(如右 圖)：
(a)VBE≅0.7V，VCE≥0.2V；
(b)IC=βIB。
β即為所謂的共射極電流增益(common emitter current gain)，有時寫做 hfe。
下面我們要直接測量電晶體在不同IC(集極電流)時的電流增益(β)。電路圖如下：IC=VC/1k，
R 用不同的值(4.7M、1M、470k、100k 及 47k)代替，記錄所對應之 IC、VBE和VCE值。IB可 由(5-VBE)/(R+4.7k)得到。由 IB和IC求出對應的β(≣IC/IB)。
圖5.2
圖5.3
應用電子學實驗講義(I)
- 3 -
圖5.4
<四>射極耦隨器(emitter follower) 右圖為一十分簡單之射極隨耦器電路：
由上面所提到的電晶體簡單模型，我們可以得到當 電晶體在操作區時， Vout≈Vin-0.7。
1. Vin用一個1kHz、DC offset 為 0、振幅 1V 的弦波 輸入，Vout的波形如何？很差勁是不是？記錄下 來。
2. 慢慢將 DC offset 增加，觀察 Vout的變化。記錄下 當DC offset=1V 時之 Vout。
3. 將 DC offset 調回 0V，再將振幅慢慢加大，當大於 6V 時，低於 0V 之輸出波形會變得很 奇怪，畫下來。你可以用示波器的X-Y 模式觀察 Vin(X)和 Vout(Y)，這樣比較容易找出奇 怪的原因。
4. 假如 VEE不接地而改接在-15V 之直流電源，重複步驟 3，Vout是不是好很多？
接著我們再來量射極耦隨器的輸入及輸出阻抗，看看有何特異之處。
將電路改成圖 5.6，我們用 10kΩ電阻模擬訊號源的輸出阻抗。
5. 測輸出阻抗 Zout：圖中虛線框框中之電路必須接上。Vin用 1kHz、DCoffset 為 0、振幅 0.5V 之弦波輸入。測量 Vout訊號之衰減，求出 follower 之 Zout。
6. 測輸入阻抗 Zin：圖中虛線框框中的電容及 1k 電阻移去不用。Vin和上同，比較 a、b 兩 點訊號大小，求得 Zin。
(假如 a、b 兩點訊號差不多大，可將 10k 電阻換成較大電阻試試。) 提示：步驟 1 及 2 之等效電路如圖 5.7：
圖5.5
應用電子學實驗講義(I)
- 4 -
圖5.6 圖5.7
數據分析與思考問題
1. 由步驟<三>之結果，畫出β、VCE和VBE對IC圖，我們提出來的簡易模型好不好？β是不 是和IC有關？
2. 比較並解釋步驟<四>1 和 2 中所得之 Vout。 3. 解釋步驟<四>3 的結果。
4. 解釋步驟<四>4 的結果。
5. 有一個黑盒子，有三隻腳接出來。黑盒子中可能是一對背對背連接的二極體或是一個電晶 體，如圖5.8。現在只給你兩個三用電表，你能否決定黑盒子裡是什麼？怎麼做？
圖5.8
