Tranzystor polowy - Politechnika Rzeszowska

POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
INSTRUKCJA NR5 , 2008
TRANZYSTORY POLOWE
Cel cwiczenia: Pomi ar i anali za charakterystyk statycznych tranzystorów polowych róznych typów
pracujacych w ukladzi e wspólnego zródla (WS). Zapoznani e studentów z mozli wosciami wyznaczeni e na
podstawi e charakterystyk statycznych parametrów okreslajacych podstawowe wlasci wosci tranzystora
polowego.
A) Zadani a do samodzielnego opr acowania pr zed zaj eciami:
Zapoznanie sie z trescia instrukcji. Zapoznanie sie z teoretycznymi podstawami dzialania
tranzystorów polowych oraz ich nazewnictwem. Opracowanie schematów ukladów do pomiaru
charakterystyk statycznych .
B) WPROWADZENI E
TRANZYSTORY
BI POL ARNE
npn
POL OW E (UNI POL ARNE) F ET
pnp
z izolowana bramka
Zlaczowe
z kanalem
typu n
z kanalem
typu p
metal-tlenek-pólprzewodnik
/MOSFET/
specjalnych
zastosowan (np
TFT) i
eksperymentalne
z indukowanym kanalem
z wbudowanym kanalem
z kanalem typu p
z kanalem typu p
z kanalem typu n
z kanalem typu n
Rys. 1 Ogólny podzial tranzystorów.
Tranzystory JFET (Junction Field - Effect Transistor) to tranzystory w których oddzielenie bramki od kanalu jest wykonane
za posrednictwem zaporowo spolaryzowanego zlacza p- n.
c)
b)
a)
D
dren
n
n
kanal n
G
G
bramka
bramka
+
p
I D=0
D
I D>0
+
p
U D S = 0.1V
p+
p+
+
+
obszar y w ar stw y zapor ow ej
U G S = -1V
-
-
+
p+
p+
brak kanalu
+
U G S = -4 V
U D S = 0,1V
-
S
S
zródlo
Rys. 2 Tranzystor polowy zlaczowy z kanalem typu n. a) szkic struktury; b) wplyw zaporowej polaryzacji zlacza p+-n na
przewodzenie w kanale. c) sytuacja dla UGS = UP czyli dla odciecia kanalu.
1
a)
UG
D
b)
ID
c)
ID
D
ID
D
D
G
U D S = 2V
G
p+
p+
+
p+
p+
-
n
-
n
S
S
UGS = 0
U D S = 10 V
+
p+
p+
-
n
G
U D S = 4V
+
S
Rys. 3 Wplyw nap iec ia UDS na ksztalt obszaru warstw zaporowych, a) UDS < |UP|, b) UDS = |UP|, c) UDS > |UP|. Pomimo „zetkniecia” warstw
zaporowych, prad drenu jest niezerowy, przy wzroscie UDS utrzymuje sie na niemal stalym tym samym poziomie.
I D [ m A]
obszar
nienasycenia
U G S = 0V
ID S S = 3 2
o bszar nasycenia (pentodowy)
24
U G S = -1 V
16
U G S = - 2V
8
UGS , V
-4
-3
-2
U G S = - 3V
U G S = U p = -4V
2
-1
4
6
8
10
U D S [ V]
12
Rys. 4 Charakterystyki wyjsciowe ID = (UDS ) i przejsciowe ID = (U GS) tranzystora JFET z kanalem typu n w ukladzie ze wspólnym
zródlem. Parametry tego tranzystora: UP = -4V oraz IDSS = 32 mA.
Tranzystory t ypu M OSFET (na przykladzie tranzystora z indukowanym kanalem n). Tranzystory w których bramka jest odizo lowana
od kanalu cienka warstwa izo latora, (najczesciej dwutlenek krzemu), nosza nazwe tranzystorów polowych z izolowana bramka MOSFET
(Metal - Oxide-Semiconductor Field Effect Trans istor), MIS (Metal-lnsulator-Seiniconductor) albo IGFET (Insulated Gate F ield - Effect
Transistor). Kanal powstaje w wyniku oddzialywania pola elektrycznego przylozonego pomiedzy bramke i podloze.
G - bramka (aluminium)
D-dren
S
D
indukowany kanal typu n
izolator (SiO2)
n+
n+
n+
G
podloze (Si typu p)
+
-
B
+
p
-
UDS=0,2V
n+
UGS>0
S
Rys. 5 Budowa tranzystora polowego MOSFET z indukowanym kanalem n. Gdy UGS > 0 pole elektryczne powoduje odepchniec ie dziur
od powierzchni granicznej izo lator-podloze i przyc iagniecie mniejszosciowych elektronów. Jest to inwersj a pólpr zewodnik a.
ID [mA]
ID [mA]
20
obszar
nienasycenia
(triodowy)
20
U G S = 6V
16
12
obszar nasycenia (pento dowy)
12
U G S = 5V
8
8
U G S = 4V
4
UGS = UT=2V
1
16
2
4
6
8
10
4
UDS ,[V]
UGS ,[V]
UT
U G S = 3V
1
2
3
12
Rys. 6 Charakterystyki wyjsciowa i przejsciowa tranzystora polowego z indukowanym kanalem typu n.
2
4
5
6
C) POM I ARY
1. Ustalic rodzaj, symbol oraz polaryzacje tranzystora JFET lub MOSFET w ukladzie pracy WS.
2. Zapoznac sie z podstawowymi parametrami technicznymi badanego tranzystora. Szczególna uwage zwrócic
na parametry krytyczne, wyznaczajace bezpieczny obszar pomiarów.
3. Zaproponowac uklad pomiarowy do badania charakterystyk wyjsciowych i przejsciowych.
4. Wyznaczyc prad nasycenia I DSS.
5. Wyznaczyc wartosc napiecia progowego U p. Mozna to zrobic w ukladzie do pomiaru charakterystyki
przejsciowej lub ukladzie bramki zwartej z drenem, gdy prad I D osiaga okreslona wartosc, np. 10 µ A.
6. Zmierzyc charakterystyki przejsciowe I D = f(U GS)UDS=par tranzystora polowego dla co najmniej trzech wartosci
U DS. Podczas pomiarów zwrócic uwage na wlasciwe wyznaczenie napiecia odciecia U p.
7. Zmierzyc charakterystyki wyjsciowe I D = f(U DS.)UGS= par dla trzech ustalonych wartosci napiecia U GS.
D)
1.
OPRACOWANI E WYNI K ÓW
Narysowac wszystkie zmierzone charakterystyki tranzystora. Dla tranzystora zlaczowego lub MOSFET z
kanalem wbudowanym pracujacym w zakresie nasycenia wyznaczyc parametry I DSS oraz U p równania
opisujacego charakterystyke przejsciowa
I D = I DSS (1 −
U GS
UP
)2
(1)
Mozna to zrobic rysujac charakterystyke przejsciowa w ukladzie wspólrzednych, gdzie na osi pionowej
znajduja sie wartosci pierwiastka kwadratowego pradu I D, zas na poziomej napiecie wejsciowe U GS .
Wówczas (przy poprawnych wynikach pomiarów) wykres powinien byc wykresem funkcji liniowej gdyz:
ID =
y= ax + b
to równanie linowe typu
2.
3.
ID;
x = U GS ; a = -
U GS
UP
(2)
(3)
I DSS
(4)
;
b = I DSS .
UP
W celu znalezienia parametrów I DSS, U p, zastosowac metode regresji liniowej i porównac wyrazenie na I D
przeksztalcone do postaci (2) z równaniem linii prostej (3). Na tej podstawie nalezy wyznaczyc
wspólczynniki a i b równania liniowego (3), a nastepnie I DSS . Znajac I DSS oraz a wyznaczyc U p. Poniewaz
charakterystyki przejsciowe mierzone sa dla trzech wartosci parametru, obliczenia te nalezy powtórzyc
trzykrotnie. W przypadku duzych róznic - wyjasnic przyczyny.
Wykorzystujac obliczone parametry I DSS i U p narysowac charakterystyke teoretyczna I D = I DSS(1-U GS/Up)2
oraz naniesc punkty pomiarowe charakterystyki rzeczywistej. Ocenic uzyskane rezultaty.
Wyznaczyc parametry U p oraz K równania opisujacego charakterystyke przejsciowa tranzystora:
U
I D = K (1 − GS ) 2
(5)
Up
gdzie: K - stala. Zastosowac metode omówiona w pkt. C2. W tym celu nalezy narysowac punkty pomiarowe
charakterystyki przejsciowej w ukladzie wspólrzednych: na osi pionowej pierwiastek kwadratowy pradu I D,
na poziomej napiecie wejsciowe U GS Oznacza to wykreslenie funkcji linowej wyrazonej zaleznoscia
U
I D = K − K GS
(6)
Up
W takim ukladzie wspólrzednych (przy poprawnych wynikach pomiarów) wykres powinien byc wykresem
funkcji liniowej okreslonej równaniem (3). W celu znalezienia parametrów K i Up, zastosowac metode
regresji liniowej. Najpierw wyznaczamy wspólczynniki a i b równania liniowego(3). Na tej podstawie
wyliczamy K i U p :
gdzie:
y=
I DSS − I DSS
y=
I D ; x = U GS ; a = -
K
; b = K . (7)
Up
Poniewaz charakterystyki przejsciowe mierzone byly dla trzech wartosci parametru U DS obliczenia te nalezy
równiez powtórzyc trzykrotnie. W przypadku duzych róznic okreslic ich przyczyne.
3
4.
5.
E)
1.
2.
3.
4.
5.
Na podstawie charakterystyk wyjsciowych obliczyc i narysowac wykres konduktancji wyjsciowej gDS w
funkcji n apiecia wyjsciowego gDS(UDS).
Na podstawie teoretycznych charakterystyk przejsciowych okreslonych równaniem (1) lub (5) obliczyc i
narysowac transkonduktancje gm w funkcji napiecia wejsciowego gm(UGS).
ANAL I ZA WYNI K ÓW
Wykreslic zmierzone charak terystyki.
Dokonac kompleksowej analizy uzyskanych wyników pomiarów oraz obliczen.
Opisac jak nalezy poprawnie wybrac punkt pracy tranzystora polowego.
Czy wartosci U p zaleza od U DS. ?
Porównac wartosci obliczonych parametrów z wartosciami katalogowymi.
F) SCHEM A TY UK L ADÓW POM I AROWY CH
RD
+ UDD
ID
-UGG
UDS
IG
UGS
Rys. 7 Przykladowy uklad pomiarowy tranzystora zlaczowego z kanalem typu n (np. BF 245).
Literatura pomocnicza:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
W. Marciniak „Przyrzady pólprzewodnikowe i uklady scalone”
A. Kusy „Podstawy elektroniki”
Gray P.E., Searle C.L.- „Podstawy elektroniki”
Stadler A., Kusy A. Kolek A. Elektronika. Zbór zadan. Cz.1 i Cz.2 Podstawowe uklady elektroniczne
Kolodziejski J. Spiralski L. Stolarski E. „Pomiary przyrzadów pólprzewodnikowych”
Korzec Z. Kacprzak T. Tranzystory polowe zlaczowe”
Katalogi elementów pólprzewodnikowych
4