tranzystory polowe jfet i mosfet

POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2004/2005 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 UGS złącza p+-n na
szerokość kanału, c) odcięcie kanału dla UGS = UP czyli zatkanie tranzystora.
1
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
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)
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 G i podłoże B:
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]
2
UGS ,[V]
UT
UGS = 3V
1
2
3
4
5
6
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
Rys.5. Charakterystyki przejściowa (dla zakresu nasycenia) i wyjściowa tranzystora polowego z indukowanym kanałem typu
n o napięciu tworzenia kanału UT = 2V.
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 −
3
(1)
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
I D = I DSS − I DSS
U GS
UP
(2)
to równanie linowe typu
(3)
y= ax + b
gdzie:
y=
2.
3.
4.
5.
E)
1.
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.
4
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
2.
3.
4.
Jak należy poprawnie wybrać punkt pracy tranzystora polowego.
Czy wartości Ut i Up zależą od UDS. ?
Porównać wartości obliczonych parametrów z wartościami katalogowymi.
Literatura:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
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) Schemat układu pomiarowego
+
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