1. Wstęp teoretyczny

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Część II

„Badania laboratoryjne

elementów i układów elektronicznych

”,

zrealizowana w ramach zadania nr 9 projektu:

„

Program Rozwojowy Potencjału Dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach: kształcenie na miarę

sukcesu.”,

nr umowy: UDA-POKL 04.01.01. – 175/08-00.

Materiały dydaktyczne pomocnicze i informacyjne do przedmiotu

PODSTAWY ELEKTRONIKI

dr inż. Marek Fijałkowski

Katedra Elektroniki i Systemów Inteligentnych

Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Świętokrzyskiej

Al. 1000-lecia P.P. 7, 25-314 Kielce

tel.: +48 41 34 24 203, e-mail: m.fijalkowski@tu.kielce.pl

Ćwiczenie 6:

Badanie tranzystorów polowych MOSFET.

1.Wstęp teoretyczny

Do grupy tranzystorów unipolarnych należą tranzystory z izolowaną

bramką

(IGFET).

W obrębie rodziny tranzystorów IGFET wyróżniamy:

 tranzystory MIS (ang. Metal-Insulator-Semiconductor, co oznacza

układ: metal-izolator-półprzewodnik),

 tranzystory cienkowarstwowe TFT.

Szczególnym przypadkiem tranzystorów MIS są tranzystory MOS

(ang. Metal-Oxide-Semiconductor, co oznacza układ: metal-tlenek-
półprzewodnik). Są one używane nieporównywalnie częściej niż
tranzystory cienkowarstwowe.

Tranzystory polowe MOS dzielą się na:

 „normalnie załączone”,
 „normalnie wyłączone”.
W każdej z tych dwu podgrup wyróżniamy tranzystory z kanałem:
 typu n,
 typu p.

Rys. 1. Oznaczenia graficzne tranzystora unipolarnego MOS z

kanałem wzbogacanym tranzystor „normalnie wyłączony” a) z
kanałem typu p b) z kanałem typu n. Oznaczenia graficzne
tranzystora unipolarnego MOS z kanałem zubożanym,
tranzystor „normalnie załączony” c) z kanałem typu p; d) z
kanałem typu n.

)

1.1. Budowa i zasada działania tranzystora polowego MOS

Rys. 2. Tranzystor unipolarny MOS z kanałem typu n: a) tranzystor

„normalnie wyłączony”, b) tranzystor „normalnie załączony”

p -

kanał

SiO

D (Drain)
Dren

G (Gate)

Bramka

S
(Source)
Źródło

p -

kanał

SiO

B (Base)

Podłoże

W tranzystorach polowych MOS występują 4 elektrody:

 Źródło (ang. Source), oznaczone literą S. Jest elektrodą, z której

wypływają nośniki ładunku do kanału.

 Dren (ang. Drain), oznaczone literą D. Jest elektrodą, do której

dochodzą nośniki ładunku. Prąd drenu – I

, napięcie dren-źródło –

 Bramka (ang. Gate), oznaczone literą G. Jest elektrodą sterującą

przepływem ładunków. Napięcie bramka-źródło – U

GS,

 Podłoże (ang. Base), oznaczone symbolem B. Elektroda ta

spełnia podobną rolę sterującą jak bramka, jest ona oddzielona od
kanału tylko złączem p-n. Gdy nie korzysta się z funkcji sterującej
podłoża, wówczas łączy się je ze źródłem. Połączenie to może być
wykonane wewnątrz obudowy i wtedy nie ma wyprowadzenia na
zewnątrz.

Obowiązuje następująca zasada polaryzacji podłoża:

 w tranzystorze z kanałem typu p podłoże powinno być na

najwyższym potencjale,

 w tranzystorze z kanałem typu n – na najniższym potencjale.

Gdy warunek ten nie jest spełniony, złącze kanał-podłoże może zostać

spolaryzowane w kierunku przewodzenia, co zazwyczaj powoduje
uszkodzenie tranzystora.

Tranzystor polowy MOS „normalnie wyłączony” z kanałem n

zawiera podłoże krzemowe typu p o niewielkiej koncentracji domieszek
oraz  bogato  domieszkowane  obszary  typu  n  źródła  i  drenu.  Źr ó dło   i
dren  nie  są  połączone  kanałem.  Powierzchnia  podłoża  jest  pokryta
izolacyjną warstwą tlenku krzemu, na której jest umieszczona warstwa
aluminium  tworząca  elektrodę  bramki.  Warstwa  izolacyjna  oraz
elektroda  zachodzą  na  obszar  źródła  i  drenu.  Jeśli  do  bramki
przyłożymy  napięcie  dodatnie  względem  podłoża,  to  na  powierzchni
krzemu  pod  warstwą  tlenku  zaindukuje  się  ładunek  ujemny.
Wytworzone  pole  elektryczne  odepchnie  dziury  od  powierzchni.
Dostatecznie  silne  pole  usunie  z  obszaru  przypowierzchniowego
wszystkie  nośniki  większościowe  –  dziury,  przyciągając  nośniki
mniejszościowe  –  elektrony.  Przy  powierzchni  znajdzie  się  więcej
elektronów  niż  dziur.  Nastąpi  zmiana  typu  przewodnictwa  z  p  na  n  i
dwa obszary typu n (źródło i dren) zostaną połączone wąskim kanałem.
Jeśli  dren  spolaryzujemy  napięciem  U

dodatnim względem źródła, to

nastąpi przepływ elektronów kanałem od źródła do drenu. W praktyce
podłoże i źródło są zwarte i napięcie U

indukujące kanał jest

przykładane między bramkę i źródło. Gdy napięcie dren-źródło U

jest

dodatnie i porównywalne z napięciem bramka-źródło U

, pole

elektryczne zmienia się wzdłuż indukowanego kanału. Pole jest
najsilniejsze przy źródle, gdzie na warstwie tlenku krzemu występuje
napięcie U

, najsłabsze zaś przy drenie, gdzie występuje napięcie U

–

. Charakterystyki prądu mają więc przebieg nieliniowy. Gdy oba

napięcia są równe, zanika przy drenie kanał indukowany. Prąd drenu I

ustala się i dalsze zwiększanie U

nie wpływa na jego wartość.

Zmieniając wartości napięcia bramki U

steruje się prądem dr e nu I

Przy dostatecznie dużych napięciach bramki o kierunku przepustowym
(duże  napięcie  dodatnie  w  przypadku  podłoża  typu  p)  będzie  płynął
prąd  maksymalny.  Przy  małych  napięciach  bramki  popłynie  mały  prąd.
Napięcie bramki, przy którym zaczyna się indukować kanał nosi nazwę
napięcia  załączania.  W  przypadku  tranzystora  o  podłożu  typu  n
największy  prąd  popłynie  po  przyłożeniu  do  bramki  dużego  ujemnego
napięcia.

Tranzystor polowy z izolowaną bramką „normalnie załączony"

zawiera  kanał  wykonany  z  materiału  o  takim  samym  typie
przewodnictwa, co źródło i dren. Różni się on od tranzystora polowego
złączowego  tym,  że  bramka  jest  odizolowana  od  podłoża  warstwą
dielektryka  –  tlenkiem  krzemu.  Odpowiednia  obróbka  w  procesie
produkcji powierzchni styku tlenek-półprzewodnik powoduje powstanie
na  nim  dodatniego  ładunku  powierzchniowego  wytwarzającego  pole
elektryczne.  Napięcie  bramki  o  kierunku  przewodzenia  zwiększa
natężenie pola elektrycznego, zmniejsza rezystancję źródło-dren, a więc
zwiększa  prąd  drenu  I

. Napięcie bramki o kierunku zaporowym

zmniejsza natężenie pola, zmniejsza czynny przekrój kanału, a więc
zmniejsza prąd drenu I

. Całkowite odcięcie kanału uzyskuje się przy

średnich wartościach natężenia pola elektrycznego. Napięcie bramki o
kierunku zaporowym, przy którym następuje odcięcie kanału nosi
nazwę „napięcia wyłączania”.

1.2. Układy pracy tranzystora MOS

Tranzystory polowe MOS mogą występować w trzech konfiguracjach układowych :

 wspólnego źródła WS,
 wspólnego bramki WG,
 wspólnej drenu WD.

Rys. 4. Układy pracy tranzystora MOS ze wzbogacanym kanałem typu

p a) ze wspólnym źródłem (WS), b) ze wspólną bramką (WG), c)
ze wspólnym drenem (WD).

)

1.3. Charakterystyki tranzystora polowego MOS

Właściwości statyczne tranzystora unipolarnego opisują rodziny

charakterystyk przejściowych i wyjściowych.

Charakterystyki przejściowe (bramkowe) przedstawiają zależność

prądu I

od napięcia bramka-źródło U

, przy stałym U

Charakterystyczne wielkości krzywych:

 U

– napięcie odcięcia bramka-źródło – napięcie jakie należy

doprowadzić do bramki , aby przy ustalonym napięciu U

nie

płynął prąd drenu.

 I

DSS

– prąd nasycenia – prąd drenu płynący przy napięciu U

=0 i

określonym napięciu U





const



Rys. 5. Charakterystyki tranzystora polowego MOS ze wzbogacanym

kanałem typu p

-12 -10

-8

-6

-4

-2

[V]

1
0

[mA

]

-5V

-1V

Ch-a przejściowa

Charakterystyka wyjściowa

ΔI

-8V

= -7V

ΔU

= -11V

-10V

-9V

Charakterystyki wyjściowe (drenowe) przedstawiają zależność

między prądem drenu I

i napięciem dren-źródło U

, przy stałym U

Wyróżnia się cztery zasadnicze zakresy charakterystyk tranzystora

unipolarnego złączowego:

 Zakres liniowy. Prąd I

ze wzrostem napięcia U

wzrasta w

przybliżeniu liniowo





const



gdzie:

ß –

współczynnik transkonduktancji – parametr

zależny od właściwości struktury tranzystora,
U

–

napięcie progowe.



















 Zakres nasycenia













)

[V]

[mA

]

= 20V

Rys. 7. Charakterystyki tranzystora polowego MOS ze zubożanym

kanałem typu n
a) charakterystyka przejściowa, b) charakterystyka wyjściowa

Rys. 6. Charakterystyki tranzystora polowego MOS ze zubożanym

kanałem typu p
a) charakterystyka przejściowa, b) charakterystyka wyjściowa

[mA]

[V]

-
1

-
2

-
3

=-20V

[V]

-15 -10

-25

-30

-20

[mA]

= 1V

= 0V

-1V

-2V

[V]

2
0

2
5

3
0

1
0

1
5

[mA]

=-1V

= 0V

= 1V

= 2V

[V]

2
0

2
5

3
0

1
0

1
5

[mA]

= 8V

10V

12V

14V

Rys. 9. Charakterystyki tranzystora polowego MOS ze wzbogacanym

kanałem typu n
a) charakterystyka przejściowa, b) charakterystyka wyjściowa

Rys. 8. Charakterystyki tranzystora polowego MOS ze wzbogacanym

kanałem typu p
a) charakterystyka przejściowa, b) charakterystyka wyjściowa

[V]

-10

-12

-14

[mA]

-20V

-4V

[V]

-15 -10

-25

-30

-20

[mA]

= -8V

-10V

-12V

-14V

)

[mA]

[V]

1
0

1
2

20V

1
4

1.4. Parametry tranzystora unipolarnego

Dla tranzystora unipolarnego określa się parametry statyczne dla

dużych wartości sygnałów oraz parametry dynamiczne dla małych
wartości sygnałów.

Parametry statyczne – to przede wszystkim parametry graniczne:

 I

Dmax

– dopuszczalny prąd drenu (od kilku do kilkudziesięciu mA)

 U

DSmax

–

dopuszczalne napięcie dren-źródło (od kilkunastu

do kilkudziesięciu V)

 P

max

– dopuszczalne straty mocy (od kilkudziesięciu do kilkuset

mW)

Parametry dynamiczne – to parametry małosygnałowe:

 g

– kondunktancja wzajemna (transkonduktancja) w punkcie

P(U

)

(zgodnie z oznaczeniami z rys 5. P

GS1

), P

GS2

)).

Punkty P

i P

powinny być położone symetrycznie

względem punktu P.

W interpretacji graficznej jest to tangens kąta nachylenia

stycznej do

charakterystyki przejściowej w

określonym punkcie P.

const











 g

– kondunktancja drenu (kondunktancja wyjściowa) w punkcie

P(U

)

(zgodnie z oznaczeniami z rys 5. P

GS3

), P

GS4

)).

Punkty P

i P

powinny być położone symetrycznie

względem punktu P. W interpretacji
graficznej jest to tangens kąta nachylenia stycznej do
charakterystyki

wyjściowej w określonym

punkcie P.

const











 r

– rezystancja drenu (rezystancja wyjściowa) (w zakresie

liniowym – przyjmuje

niewielkie wartości, w zakresie

nasycenia – od kilkudziesięciu do kilkuset k).

const











 k

– współczynnik wzmocnienia napięciowego.

const

ΔU



Rys. 10.

Wyznaczanie współczynnika wzmocnienia napięciowego

z charakterystyk przejściowych tranzystora polowego

złączowego z kanałem typu n.

-12 -10 -8

-6

-4 -2

[V]

[mA]

DS2

DS1

=const

ΔU

Wartość współczynnika wzmocnienia napięciowego można wyznaczyć

graficznie z charakterystyk statycznych tranzystora (rys. 10 –
charakterystyki przejściowe, rys. 11 – charakterystyki wyjściowe) lub
analitycznie, posługując się wzorem

g r

�

W przypadku charakterystyk przejściowych należy wykreślić linię

stałego prądu drenu I

, która przecina dwie gałęzie charakterystyki w

punktach P

i P

. Po zrzutowaniu współrzędnych tych punktów na oś

napięcia U

otrzymuje się bezpośrednio przyrost napięcia



natomiast przyrost napięcia



oblicza się jako różnicę dwóch

wartości stałych, przy których wyznaczano odpowiednie gałęzie
charakterystyk. Tak więc zgodnie z oznaczeniami na rys. 10,
współczynnik wzmocnienia napięciowego oblicza się jako:

const

ΔU







=const

[V]

[mA]

GS2

8,8V

ΔU

12V

11V

10V

GS1

9,2V

Rys. 11.

Wyznaczanie współczynnika wzmocnienia napięciowego

z charakterystyk wyjściowych tranzystora polowego

złączowego z kanałem typu n

W przypadku charakterystyk wyjściowych należy wykreślić linię

stałego prądu drenu I

, która przecina dwie gałęzie charakterystyki w

punktach P

i P

. Po zrzutowaniu współrzędnych tych punktów na oś

napięcia U

otrzymuje się bezpośrednio przyrost napięcia



natomiast przyrost napięcia



oblicza się jako różnicę dwóch

wartości stałych, przy których wyznaczano odpowiednie gałęzie
charakterystyk. Tak więc zgodnie z oznaczeniami na rys. 11,
współczynnik wzmocnienia napięciowego oblicza się jako:

Należy zwrócić uwagę, że wyznaczone powyższymi trzema sposobami

wartości współczynnika wzmocnienia napięciowego tranzystora mogą
się różnić ze względu na niejednakowe punkty pracy, w których zostały
obliczone.

const









2.Przebieg ćwiczenia

2.2. Pomiar charakterystyk statycznych tranzystora

polowego MOS ze wzbogacanym z kanałem typu p

2.1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania i własności

tranzystora  polowego  MOS  ze  wzbogacanym  kanałem  typu  p  poprzez
wyznaczenie  jego  charakterystyk  statycznych  i  parametrów  układzie
wspólnego  źródła  WS.  Będą  wyznaczane  rodziny  charakterystyk
wyjściowych  oraz  przejściowych.  Parametry  będą  wyznaczone  w
określonym punkcie P

Charakterystyki

będą

wyznaczane

podstawie

pomiarów

multimetrami:

 napięć wejściowych układu – U

 napięć wyjściowych układu – U

 prądów wyjściowych – I

Schematy pomiarowe

Rys. 12.

Układ do pomiaru statycznych charakterystyk

tranzystora polowego MOS
ze wzbogacanym kanałem typu p

Sposób przeprowadzenia pomiarów

 Połączyć układ pomiarowy przedstawiony na rys.12. (R

= 560k, R

= 1k,

T - tranzystor polowy MOS ze wzbogacanym z kanałem typu p SMY 50.

 Określić napięcie progowe tranzystora U

. Ustawić zasilaczem E

napięcie U

na wartość około -2V. Zwiększając (co do bezwzględnej wartości) zasilaczem
E

napięcie U

obserwujemy, kiedy zaczyna płynąć prądu drenu I

Odczytujemy napięcie U

, jeżeli wartość prądu drenu będzie bliska zeru

np. I

= 0,05 mA.

 Wypełnić w Tabeli 1 kolumnę napięcia U

od wartości U

do napięcia -12V

 Wykonać pomiary charakterystyki przejściowej dla kilku (określa prowadzący)

stałych wartości napięcia U

. U

=0V. Pomiar polega na ustawieniu

regulowanym zasilaczem E

napięcia U

(woltomierz V

), ustawieniu

regulowanym zasilaczem E

określonej stałej wartości napięcia U

(woltomierzem V

), i odczycie prądu drenu I

(miliamperomierz mA). Ustawić

kolejną wartość napięcia U

i odczytać prąd I

Wyniki notujemy w tabeli 1.,

którą wypełniamy wierszami.

 Wykonać pomiary charakterystyki wyjściowej dla stałych wartości napięcia

.: U

GS1

- 1V, U

GS2

- 2V U

GS3

- 3V, U

GS4

- 4V Pomiary

wykonujemy analogicznie jak dla charakterystyki przejściowej. Wyniki
notujemy w tabeli 2., którą wypełniamy kolumnami.

Tabela 1.

Pomiar charakterystyki przejściowej I

=f(U

=const.

[V]

=0V U

DS1

=0V U

DS2

=0V U

DS3

=0V U

DS4

=5V U

DS2

[mA]

-6,0

-6,5

-7,0

-7,5

-8,0

-8,5

-9,0

10.

-9,5

-10,0

12.

-10,5

13.

-11,0

14.

-11,5

15.

-12,0

Tabela 2.

Pomiar charakterystyki wyjściowej I

=f(U

)|U

=const.

[V]

=0V U

GS1

=0V U

GS2

=0V U

GS3

=0V U

GS4

=5V U

GS2

[mA]

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1,0

-2,0

-3,0

-4,0

10.

-5,0

-6,0

12.

-7,0

13.

-8,0

14.

-9,0

15.

-10,0

2.3. Opracowanie wyników pomiaru

W sprawozdaniu należy zamieścić:

 Schematy układów pomiarowych realizowanych na ćwiczeniu.
 Tabele pomiarowe z wynikami.
 Charakterystyki tranzystora polowego MOS ze wzbogacanym kanałem

typu p sporządzone na podstawie przeprowadzonych pomiarów.

 Wyznaczenie parametrów r

, g

, k

dla określonego punktu pracy P(U

GS3

DS3

W tabelach pomiarowych należy zaznaczyć (np. innym kolorem, pogrubić)
pomiary (punkty P

, P

), które posłużyły do wyznaczenia

parametrów. Na wykreślonych charakterystykach statycznych tranzystora
zaznaczyć punkty P oraz punkty pomocnicze P

, P