POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Katedra Podstaw Elektroniki iii2014
1
TRANZYSTORY POLOWE JFET I MOSFET
Celem ćwiczenia jest pomiar podstawowych charakterystyk statycznych i wyznaczenie
parametrów określających właściwości tranzystora polowego.
A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami
Zapoznać się z teoretycznymi podstawami działania tranzystorów polowych,
symbolami i zasadami ich polaryzacji.
Przygotować schematy pomiarowe charakterystyk statycznych podstawowych rodzajów
tranzystorów polowych
Zapoznać się z danymi katalogowymi dostępnymi w Internecie wybranych
tranzystorów
o
JFET np. BF245
o
MOSFET z kanałem indukowanym np. 2N7000, 2N3820, BS170, BS107,
IRF530, IRF620
B) Pomiary
Tranzystor JFET lub MOSFET z kanałem wbudowanym (depletion mode)
1. Ustalić rodzaj, symbol oraz właściwą polaryzację tranzystora JFET lub MOSFET w układzie
pracy OS.
2. Zapoznać się z podstawowymi parametrami technicznymi badanego tranzystora. Szczególną
uwagę zwrócić na parametry krytyczne.
3. Zaproponować układ pomiarowy do badania charakterystyk: wyjściowych i przejściowych.
Ustalić i uzgodnić z prowadzącym bezpieczny obszar pomiarów. Do pomiarów wykorzystać
uniwersalny układ połączeniowy (rys.1).
4. Dla tranzystora JFET lub MOSFET z kanałem wbudowanym wyznaczyć prąd nasycenia I
DSS
.
5. Zmierzyć charakterystyki przejściowe I
D
=f(U
GS
)
U
DS
=par
, tranzystora polowego dla trzech
wartości U
DS
. Podczas pomiarów zwrócić uwagę na właściwe wyznaczenie napięcia wyłączenia
U
p
. Napięcie
U
GS
nie powinno przekraczać U
p
o więcej niż około 0,5V (dlaczego?).
6. Zmierzyć charakterystyki wyjściowe I
D
=f(U
DS
)
U
GS
=par
dla trzech ustalonych wartości napięcia
U
GS
.
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.
9. Zaproponować układ pomiarowy do badania charakterystyk: przejściowych i wyjściowych.
Ustalić i uzgodnić z prowadzącym bezpieczny obszar pomiarów.
10. Wyznaczyć wartość napięcia progowego U
t
w układzie: a) do pomiaru charakterystyki
przejściowej oraz b) bramki zwartej z drenem, gdy prąd I
D
osiąga określoną wartość, np. 10
A.
Porównać uzyskane wyniki.
11. Zmierzyć charakterystykę przejściową I
D
=f(U
GS
)
U
DS
=par
dla trzech różnych wartości parametru
U
DS
:
12. Zmierzyć charakterystyki wyjściowe I
D
=f(U
DS
)
U
GS
=par
dla trzech różnych wartości parametru
U
GS
.
POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Katedra Podstaw Elektroniki iii2014
2
Rys. B1. Uniwersalna płytka połączeniowa do realizacji układów pomiarowych charakterystyk statycznych
tranzystorów
C) Opracowanie i analiza wyników
1. Narysować (wydrukować) wszystkie zmierzone charakterystyki tranzystora. Dla tranzystora
złączowego lub MOSFET z kanałem wbudowanym pracującym w zakresie nasycenia
wyznaczyć parametry I
DSS
oraz Up równania opisującego charakterystykę przejściową:
2
1
p
GS
DSS
D
U
U
I
I
.
(1)
Można to zrobić rysując charakterystykę przejściową w układzie współrzędnych kartezjańskich,
w którym na osi pionowej znajdują się wartości pierwiastka kwadratowego prądu wyjściowego
I
D
, zaś na poziomej – napięcie wejściowe U
GS
. W takim układzie współrzędnych (przy
poprawnych wynikach pomiarów) wykres powinien być wykresem funkcji liniowej, gdyż
P
GS
DSS
DSS
D
U
U
I
I
I
(2)
jest równaniem linowym typu
y= ax + b,
(3)
gdzie:
.
;
;
DSS
P
DSS
GS
D
I
b
U
I
a
U
x
;
I
y
(4)
W celu znalezienia parametrów I
DSS
i U
p
, należy zastosować metodę regresji liniowej i porównać
wyrażenie na I
D
przekształcone do postaci (2) z równaniem linii prostej (3). Na tej podstawie
można wyznaczyć współczynniki a i b równania liniowego (3), a następnie parametr I
DSS
. Znając
I
DSS
oraz a można wyznaczyć U
p
. Ponieważ charakterystyki przejściowe mierzone są dla trzech
wartości parametru, obliczenia te należy powtórzyć trzykrotnie. W przypadku dużych różnic –
wyjaśnić przyczyny.
POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Katedra Podstaw Elektroniki iii2014
3
2. Wykorzystując obliczone parametry I
DSS
i U
p
, narysować charakterystykę teoretyczną
I
D
=I
DSS
(1−U
GS
/U
p
)
2
oraz na tym samym wykresie nanieść punkty pomiarowe charakterystyki
rzeczywistej. Ocenić uzyskane rezultaty.
3. Wyznaczyć parametry U
t
oraz K równania opisującego charakterystykę przejściową tranzystora
MOS z kanałem indukowanym
2
D
)
1
(
=
I
t
GS
U
U
K
,
(5)
gdzie K to stała.
Aby to zrobić można zastosować metodę omówioną w pkt. C1. W tym celu należy
narysować punkty pomiarowe charakterystyki przejściowej w następującym układzie
współrzędnych: na osi pionowej pierwiastek kwadratowy prądu I
D
, zaś na poziomej napięcie
wejściowe U
GS
. Oznacza to wykreślenie funkcji linowej wyrażonej zależnością
t
GS
D
U
U
K
K
I
.
(6)
W takim układzie współrzędnych (przy poprawnych wynikach pomiarów) wykres powinien być
wykresem funkcji liniowej określonej równaniem (3). W celu znalezienia parametrów K i U
t
,
należy zastosować metodę regresji liniowej. W tym celu najpierw wyznaczamy współczynniki a
i b równania liniowego (3). Na tej podstawie wyliczamy K i U
t
uwzględniając, że
K
b
;
U
K
-
a
;
U
x
;
I
y
t
GS
D
. (7)
Ponieważ charakterystyki przejściowe mierzone były dla trzech wartości parametru U
DS
obliczenia te należy również powtórzyć trzykrotnie. W przypadku dużych różnic określić
przyczynę. Porównać wartości U
t
wyznaczone na podstawie charakterystyk przejściowych z
wartością zmierzoną w pkt. B10. Wyjaśnić ewentualne różnice.
4. Na podstawie pomiarowych charakterystyk wyjściowych obliczyć i narysować zależność
konduktancji wyjściowej g
DS
w funkcji napięcia wyjściowego g
DS
(U
DS
) dla danego typu
tranzystora.
5. Na podstawie teoretycznych charakterystyk przejściowych określonych równaniem (1) lub (5)
obliczyć i narysować transkonduktancję gm w funkcji napięcia wejściowego gm(U
GS
) dla danego
typu tranzystora.
6. Jakie wartości przyjmuje transkonduktancja gm dla różnych typów tranzystorów i co głównie
wpływa na jej wartość?
7. Czy wartości U
t
i
U
p
zależą od U
DS
?
8. Porównać wartości obliczonych parametrów tranzystorów z wartościami katalogowymi.
9. Omówić i scharakteryzować stosowane sposoby polaryzacji tranzystorów polowych we
wzmacniaczach. Określić główne zalety i wady poszczególnych układów. Porównanie
przedstawić w postaci tabeli.
.
10. Jakie są aktualne osiągnięcia technologiczne w produkcji tranzystorów MOSFET.
11. Zadania
A) Z5.3, Z5.6, Z5.4-rys.5.8, Z5.4-rys.5.10, Z6.3-rys.6.16
B) Z5.4-rys.5.7, Z5.4-rys.5.9, Z5.4-rys.5.14, Z6.3-rys.6.17
POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Katedra Podstaw Elektroniki iii2014
4
D) Dodatek – podstawowe informacje dotyczące tranzystorów polowych
pnp
POLOWE (UNIPOLARNE) FET
BIPOLARNE
TRANZYSTORY
npn
Złączowe
z kanałem
typu p
z kanałem
typu n
z izolowaną bramką
specjalnych
zastosowań (np.
TFT) i
eksperymentalne
metal-tlenek-
-półprzewodnik
/MOSFET/
z kanałem typu p
z kanałem typu n
z kanałem typu p
z kanałem typu n
z wbudowanym kanałem
z indukowanym kanałem
Rys. D1. Ogólny podział tranzystorów.
Tranzystory JFET.
źródło
kanał n
dren
bramka
bramka
p
+
p
+
S
D
I
D
=0
+
G
U
DS
= 0,1V
-
−
U
GS
= -4V
+
brak kanału
n
p
+
p
+
S
D
I
D
>0
+
G
U
DS
= 0,1V
-
−
U
GS
=-1V
+
obszary warstwy zaporowej
n
p
+
p
+
b)
a)
c)
Rys.D2. 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 U
GS
= U
P
czyli dla momentu
odcięcia kanału.
S
D
I
D
+
G U
DS
= 4V
−
n
p
+
p
+
S
D
I
D
+
G
U
DS
= 10V
−
n
p
+
p
+
S
D
I
D
+
G
U
DS
= 2V
−
n
p
+
p
+
a)
U
GS
=0
U
G
b)
c)
Rys. D3. Ilustracja wpływu napięcia U
DS
na kształt obszaru warstw zaporowych, a) U
DS
< |U
P
|, b) U
DS
= |U
P
|,
c) U
DS
> |U
P
|, pomimo „zetknięcia” warstw zaporowych, prąd drenu nie jest równy zeru, przy wzroście
U
DS
utrzymuje się niemal na tym samym poziomie.
POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Katedra Podstaw Elektroniki iii2014
5
U
GS
[V]
-1
-2
-3
-4
24
16
8
I
DSS
= 32
I
D
[mA]
obszar
nienasycenia
obszar nasycenia
(pentodowy)
U
GS
=0V
U
GS
= -1V
U
GS
= -2V
U
GS
= -3V
12
10
8
6
4
2
U
DS
[V]
U
GS
= U
p
= -4V
Rys. D4. Charakterystyki wyjściowe I
D
=(U
DS
) i przejściowe I
D
=(U
GS
) tranzystora JFET z kanałem typu n w
układzie ze wspólnym źródłem. Parametry tranzystora: U
P
= -4V oraz I
DSS
= 32 mA.
Tranzystor typu MOSFET z kanałem indukowanym (normalnie wyłączony).
Kanał powstaje dopiero w wyniku oddziaływania pola elektrycznego przyłożonego pomiędzy
bramkę i podłoże:
G - bramka (aluminium)
izolator
B
S
podłoże (Si typu p)
n
+
D - dren
n
p
indukowany kanał
n
+
n
+
+
−
U
DS
=0,2V
+
D
G
U
GS
>0
S
−
Rys.D5. Budowa tranzystora polowego typu MOSFET z indukowanym kanałem typu n. Po przyłożeniu
niewielkiego napięcia U
DS
> 0 i większego od niego U
GS
> 0, pole elektryczne, powstające pod wpływem,
U
GS
powoduje odepchnięcie dziur od powierzchni granicznej izolator-podłoże i przyciągnięcie w jej
kierunku mniejszościowych elektronów. To zjawisko nazywa się inwersją półprzewodnika.
20
16
12
8
4
6
5
4
3
2
1
U
GS
[V]
U
T
I
D
[mA]
20
16
12
8
4
1
I
D
[mA]
obszar
nienasycenia
(triodowy)
obszar nasycenia (pentodowy)
U
GS
=6V
U
GS
= 5V
U
GS
= 4V
U
GS
= 3V
12
10
8
6
4
2
U
DS
[V]
U
GS
= U
T
=2V
Rys.D6. Charakterystyki przejściowa (dla zakresu nasycenia) i wyjściowa tranzystora polowego z
indukowanym kanałem typu n o napięciu tworzenia kanału U
t
= 2V.