TRANZYSTORY POLOWE JFET I MOSFET

POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr5
FD1 2002/2003 sem. letni
TRANZYSTORY POLOWE JFET I MOSFET
Cel ćwiczenia: Pomiar podstawowych charakterystyk i wyznaczenie parametrów określających
właściwości tranzystora polowego.
A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami:
Zapoznanie się z treścią poniższej instrukcji, zapoznanie się z teoretycznymi podstawami
działania tranzystorów polowych oraz ich nazewnictwem, przygotowanie schematów
pomiarowych,
B) WPROWADZENIE
Ogólny podział tranzystorów:
TRANZYSTORY
BIPOLARNE
npn
POLOWE (UNIPOLARNE) FET
pnp
z izolowaną bramką
Złączowe
z kanałem
typu p
z kanałem
typu n
metal-tlenek-półprzewodnik
/MOSFET/
z indukowanym kanałem
specjalnych
zastosowań (np
TFT) i
eksperymentalne
z wbudowanym kanałem
z kanałem typu p
z kanałem typu n
z kanałem typu p
z kanałem typu n
Tranzystory: JFET:
a)
b)
dren
D
p
p
+
+
UDS = 0.1V
p+
ID=0
G
G
bramka
bramka
D
n
n
kanał n
+
c)
ID>0
p+
obszary warstwy zaporowej
UGS=-1V
S
+
-
+
brak kanału
UGS= -4V
+
p+
p+
UDS= 0,1V
-
S
źródło
Rys.1.Tranzystor polowy złączowy z kanałem typu n. a)Szkic struktury; b)wpływ zaporowej polaryzacji złącza p+-n na
przewodzenie w kanale. Schemat c) przedstawia sytuację dla UGS = UP czyli dla momentu odcięcia kanału.
1
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr5
a)
UG
D
ID
UGS=0
UDS = 10V
+
p+
p+
-
n
G
UDS = 4V
+
p+
p+
-
n
S
S
+
p+
p+
-
n
ID
D
c)
G
UDS= 2V
G
ID
D
b)
FD1 2002/2003 sem. letni
S
Rys.2. Ilustracja wpływu napięcia UDS na kształt obszaru warstw zaporowych, a) UDS < |UP|, b) UDS = |UP|, c) UDS > |UP|,
Pomimo „zetknięcia” warstw zaporowych, prąd drenu nie jest równy zeru, przy wzroście UDS utrzymuje się niemal na tym samym
poziomie.
ID [mA]
obszar
nienasycenia
UGS =0V
IDSS = 32
obszar nasycenia (pentodowy)
24
UGS = -1V
16
UGS = -2V
8
UGS, V
-3
-4
-2
UGS = -3V
UGS = Up= -4V
2
-1
4
6
8
10
UDS [V]
12
Rys. 3. Charakterystyki wyjściowe ID=(UDS) i przejściowe ID=(UGS) tranzystora JFET z kanałem typu n w układzie ze
wspólnym źródłem. Parametry tranzystora: UP = -4V oraz IDSS = 32 mA.
Tranzystor typu MOSFET na przykładzie tranzystora z indukowanym kanałem (normalnie wyłączony):
Kanał powstaje dopiero w wyniku oddziaływania pola elektrycznego przyłożonego pomiędzy bramkę i podłoże:
G - bramka (aluminium)
D-dren
S
D
izolator (SiO2)
n+
n+
n+
indukowany kanał typu n
G
podłoże (Si typu p)
+
-
B
+
p
-
UDS=0,2V
n+
UGS>0
S
Rys.4. Budowa tranzystora polowego typu MOSFET z indukowanym kanałem typu n. Po przyłożeniu niewielkiego napięcia
UDS>0 i większego od niego UGS > 0, pole elektryczne, powstające pod wpływem, UGS powoduje odepchnięcie dziur od
powierzchni granicznej izolator-podłoże i przyciągnięcie w jej kierunku mniejszościowych elektronów. To zjawisko nazywa
się inwersją półprzewodnika.
ID [mA]
ID [mA]
obszar
nienasycenia
20
20
UGS =6V
16
12
obszar nasycenia (pentodowy)
12
UGS = 5V
8
UGS = 4V
4
UGS = UT=2V
1
2
4
6
8
10
12
16
8
4
UDS ,[V]
UGS ,[V]
UT
UGS = 3V
1
2
3
4
5
6
Rys.5. Charakterystyki przejściowa (dla zakresu nasycenia) i wyjściowa tranzystora polowego z indukowanym kanałem typu
n o napięciu tworzenia kanału UT = 2V.
2
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr5
FD1 2002/2003 sem. letni
C) POMIARY TRANZYSTORA
Tranzystor JFET lub MOSFETz kanałem wbudowanym (depletion mode)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Ustalić rodzaj, symbol oraz właściwą polaryzację tranzystora JFET lub MOSFET w układzie pracy
OS.
Zapoznać się z podstawowymi parametrami technicznymi badanego tranzystora. Szczególną uwagę
zwrócić na parametry krytyczne, determinujące bezpieczny obszar pomiarów.
Zaproponować układ pomiarowy do badania charakterystyk: wyjściowych i przejściowych.
Dla tranzystora JFET lub MOSFET z kanałem wbudowanym wyznaczyć prąd nasycenia IDSS . Prąd
IDSS jest to prąd ID przy napięciu UGS=0, który pozostaje praktycznie stały przy zmianach napięcia
UDS .
Zmierzyć charakterystyki przejściowe ID=f(UGS)UDS=par , tranzystora polowego dla trzech wartości
UDS stosując odpowiedni układ pomiarowy. Podczas pomiarów zwrócić uwagę na właściwe
wyznaczenie napięcia wyłączenia Up . Napięcie UGS nie powinno przekraczać Up  o więcej niż
około 0,5V (odpowiedz dlaczego?).
Zmierzyć charakterystyki wyjściowe ID=f(UDS.)UGS=par dla trzech ustalonych wartości napięcia UGS .
Tranzystor MOSFET kanałem indukowanym (enhacement mode)
7. Ustalić rodzaj, symbol oraz właściwą polaryzację tranzystora MOSFET z kanałem indukowanym w
układzie pracy OS.
8. Zapoznać się z podstawowymi parametrami technicznymi badanego tranzystora. Szczególną uwagę
zwrócić na parametry krytyczne, determinujące bezpieczny obszar pomiarów
9. Zaproponować układ pomiarowy do badania charakterystyk: przejściowych i wyjściowych.
10. Wyznaczyć wartość napięcia progowego Ut . Można to zrobić w : a) układzie do pomiaru
charakterystyki przejściowej lub, b) układzie bramki zwartej z drenem, gdy prąd ID osiąga określoną
wartość, np. 10 µA. Porównać uzyskane wyniki.
11. Zmierzyć charakterystykę przejściową ID=f(UGS)UDS=por dla trzech różnych wartości parametru
UDS:
12. Zmierzyć charakterystyki wyjściowe ID=f(UDS.)UGS=par dla trzech różnych wartości parametru UGS .
D)
1.
OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIAROWYCH
Narysować (wydrukować) wszystkie zmierzone charakterystyki tranzystora. Dla tranzystora
złączowego lub MOSFET z kanałem wbudowanym pracującym w zakresie nasycenia wyznaczyć
parametry IDSS oraz Up równania opisującego charakterystykę przejściową
U GS 2
)
UP
Można to zrobić rysując charakterystykę przejściową w układzie współrzędnych kartezjańskich, w
którym na osi pionowej znajdują się wartości pierwiastka kwadratowego prądu wyjściowego ID, zaś
na poziomej, napięcie wejściowe UGS . W takim układzie współrzędnych (przy poprawnych
wynikach pomiarów) wykres powinien być wykresem funkcji liniowej gdyż
I D = I DSS (1 −
I D = I DSS − I DSS
U GS
UP
to równanie linowe typu
3
(2)
(1)
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr5
FD1 2002/2003 sem. letni
(3)
y= ax + b
gdzie:
y=
2.
3.
4.
5.
E)
1.
2.
3.
4.
I D ; x = U GS ; a = -
I DSS
(4)
; b = I DSS .
UP
W celu znalezienia parametrów IDSS , Up, należy zastosować metodę regresji liniowej i porównać
wyrażenie na ID przekształcone do postaci (2) z równaniem linii prostej (3). Na tej podstawie
można wyznaczyć współczynniki a i b równania liniowego (3), a następnie parametr IDSS . Znając
IDSS oraz a można wyznaczyć Up. Ponieważ charakterystyki przejściowe mierzone są dla trzech
wartości parametru , obliczenia te należy powtórzyć trzyrotnie. W przypadku dużych różnic wyjaśnić przyczyny.
Wykorzystując obliczone parametry IDSS i Up narysować charakterystykę teoretyczną ID=IDSS(1UGS/Up)2 oraz na tym samym wykresie nanieść punkty pomiarowe charakterystyki rzeczywistej.
Ocenić uzyskane rezultaty.
Wyznaczyć parametry Ut oraz K równania opisującego charakterystykę przejściową tranzystora
MOS z kanałem indukowanym
U
I D = K (1 − GS ) 2
(5)
Ut
gdzie K to stała.
Aby to zrobić można zastosować metodę omówioną w pkt. C2. W tym celu należy narysować
punkty pomiarowe charakterystyki przejściowej w następującym układzie współrzędnych: na osi
pionowej pierwiastek kwadratowy prądu ID, zaś na poziomej napięcie wejściowe UGS Oznacza to
wykreślenie funkcji linowej wyrażonej zależnością
U
I D = K − K GS
(6)
Ut
W takim układzie współrzędnych (przy poprawnych wynikach pomiarów) wykres powinien być
wykresem funkcji liniowej określonej równaniem (3).
W celu znalezienia parametrów K i Ut, należy zastosować metodę regresji liniowej. W tym celu
najpierw wyznaczamy współczynniki a i b równania liniowego(3). Na tej podstawie wyliczamy K i
Ut uwzględniając, że
K
(7)
y = I D ; x = U GS ; a = ; b= K .
Ut
Ponieważ charakterystyki przejściowe mierzone były dla czterech wartości parametru UDS
obliczenia te należy również powtórzyć czterokrotnie. W przypadku dużych różnic określić
przyczynę. Porównać wartości Ut wyznaczone na podstawie charakterystyk przejściowych z
wartością zmierzoną w pkt. A7. Wyjaśnić ewentualne różnice.
Na podstawie pomiarowych charakterystyk wyjściowych obliczyć i narysować konduktancję
wyjściową gDS w funkcji napięcia wyjściowego gDS(UDS) dla danego typu tranzystora.
Na podstawie teoretycznych charakterystyk przejściowych określonych równaniem (1) lub (5)
obliczyć i narysować transkonduktancję gm w funkcji napięcia wejściowego gm(UGS) dla danego
typu tranzystora.
ANALIZA WYNIKÓW
Wykreślić zmierzone charakterystyki, dokonać kompleksowej analizy uzyskanych wyników
pomiarowych oraz obliczeń.
Jak należy poprawnie wybrać punkt pracy tranzystora polowego.
Czy wartości Ut i Up zależą od UDS. ?
Porównać wartości obliczonych parametrów z wartościami katalogowymi.
4
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
Instrukcja Nr5
Literatura:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
FD1 2002/2003 sem. letni
W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”
W. Marciniak „Modele elementów półprzewodników”
A.Kusy „Podstawy elektroniki”
„Elementy półprzewodnikowe i układy scalone” (katalog UNITRA – CEMI)
Gray P.E.,Searle C.L.- „Podstawy elektroniki
Praca zbiorowa - „Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych”.
F) Schematy układów pomiarowych:
+
mA
IG
-UGG
ID
V
UD
µA
V
UGS
Rys. 6. Układ pomiarowy tranzystora złączowego z kanałem typu n np. BF 245FET. Do pomiarów można wykorzystać
zasilacz stabilizowany 5121. Do regulacji napięcia ujemnego UGS (-Up <UGS<0) wykorzystać zakres 0 : -20 V, a do napięcia dodatniego UDS zakres 0 : +6 V.
5