Tranzystowy Mosfet, Elektronika Dla Wszystkich, hobby, ELEKTRONIKA
[ Pobierz całość w formacie PDF ]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
POLOWE (UNIPOLARNE) FET
npn
pnp
Złączowe
z izolowaną bramką
z kanałem
typu n
z kanałem
typu p
metal-tlenek-
-półprzewodnik
/MOSFET/
specjalnych
zastosowań (np
TFT) i
eksperymentalne
z indukowanym kanałem
z wbudowanym kanałem
z kanałem typu p
z kanałem typu p
z kanałem typu n
z kanałem typu n
Tranzystory: JFET:
b)
c)
D
I
D
=0
D
I
D
>0
a)
dren
n
n
kanał n
G
+
G
+
bramka
bramka
U
DS
= 0.1V
p
+
p
+
-
p
+
p
+
-
-
brak kanału
U
DS
= 0,1V
p
+
p
+
-
+
obszary warstwy zaporowej
U
GS
= -4V
S
+
U
GS
=-1V
S
źródło
Rys.1.Tranzystor polowy złączowy z kanałem typu n. a) szkic struktury; b) wpływ zaporowej polaryzacji U
GS
złącza p
+
-n na
szerokość kanału, c) odcięcie kanału dla U
GS
= U
P
czyli zatkanie tranzystora.
1
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
a)
U
G
D
I
D
b)
D
I
D
c)
D
I
D
G
U
DS
= 2V
G
U
DS
= 4V
G
U
DS
= 10V
+
+
+
p
+
p
+
p
+
p
+
p
+
p
+
n
-
n
-
n
-
U
GS
=0
S
S
S
Rys.2. 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.
I
D
[mA]
obszar
nienasycenia
U
GS
=0V
I
DSS
= 32
obszar nasycenia (pentodowy)
24
16
U
GS
= -1V
U
GS
= -2V
U
GS
= -3V
8
U
GS
= U
p
= -4V
U
GS
, V
-4
-3
-2
-1
2
4
6
8
10
12
U
DS
[V]
Rys. 3. 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 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
indukowany kanał typu n
S
D-dren
izolator (SiO
2
)
n
+
n
+
n
+
G
+
p
U
DS
=0,2V
-
podłoże (Si typu p)
U
GS
>0
n
+
+
B
-
S
Rys.4. 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
.
I
D
[mA]
I
D
[mA]
obszar
nienasycenia
20
20
16
U
GS
=6V
16
12
8
4
obszar nasycenia (pentodowy)
12
U
GS
= 5V
8
U
GS
= 4V
U
GS
= 3V
4
U
T
U
GS
,[V]
U
GS
= U
T
=2V
U
DS
,[V]
1
2
3
4
5
6
1
4
10
2
6
8
12
2
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 U
T
= 2V.
C) POMIARY TRANZYSTORA
Tranzystor JFET lub MOSFETz 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, determinujące bezpieczny obszar pomiarów.
3. Zaproponować układ pomiarowy do badania charakterystyk: wyjściowych i przejściowych.
4. Dla tranzystora JFET lub MOSFET z kanałem wbudowanym wyznaczyć prąd nasycenia
I
DSS
. Prąd
I
DSS
jest to prąd
I
D
przy napięciu
U
GS
=0
, który pozostaje praktycznie stały przy zmianach napięcia
U
DS
.
5.
Zmierzyć charakterystyki przejściowe
I
D
=f(U
GS
)
UDS=par
, tranzystora polowego dla trzech wartości
U
DS
stosując odpowiedni układ pomiarowy. 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 (odpowiedz 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, determinujące bezpieczny obszar pomiarów
9. Zaproponować układ pomiarowy do badania charakterystyk: przejściowych i wyjściowych.
10. Wyznaczyć wartość napięcia progowego
U
t
.
Można to zrobić w : a) układzie do pomiaru
charakterystyki przejściowej lub, b) układzie bramki zwartej z drenem, gdy prąd
I
D
osiąga określoną
wartość, np. 10 µA. Porównać uzyskane wyniki.
11. Zmierzyć charakterystykę przejściową
I
D
=f(U
GS
)
UDS=por
dla trzech różnych wartości parametru
U
DS
:
12. Zmierzyć charakterystyki wyjściowe
I
D
=f(U
DS.
)
UGS=par
dla trzech różnych wartości parametru
U
GS
.
D)
OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIAROWYCH
1. Narysować (wydrukować) wszystkie zmierzone charakterystyki tranzystora. Dla tranzystora
złączowego lub MOSFET z kanałem wbudowanym pracującym w zakresie nasycenia wyznaczyć
parametry I
DSS
oraz
U
p
równania opisującego charakterystykę przejściową
I
=
I
(
U
−
)
2
(1)
D
DSS
P
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
3
GS
U
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
I
D
= −
I
DSS
I
DSS
U
U
GS
(2)
P
to równanie linowe typu
y= ax + b
(3)
gdzie:
y
=
I
;
x
=
U
;
a
=
-
I
DSS
;
b
=
I
.
(4)
GS
D
U
DSS
P
W celu znalezienia parametrów
I
DSS
, 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 trzyrotnie. W przypadku dużych różnic -
wyjaśnić przyczyny.
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
I
=
K
(
U
−
GS
U
)
2
(5)
D
t
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
I
D
, zaś na poziomej napięcie wejściowe
U
GS
Oznacza to
wykreślenie funkcji linowej wyrażonej zależnością
I
=
K
−
K
U
GS
(6)
D
U
t
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
y
=
I
x
=
U
;
a
=
-
K
;
b
=
K
.
(7)
GS
D
U
t
Ponieważ charakterystyki przejściowe mierzone były dla czterech wartości parametru
U
DS
obliczenia te należy również powtórzyć czterokrotnie. W przypadku dużych różnic określić
przyczynę. Porównać wartości
U
t
wyznaczone na podstawie charakterystyk przejściowych z
wartością zmierzoną w pkt. A7. Wyjaśnić ewentualne różnice.
4. Na podstawie pomiarowych charakterystyk wyjściowych obliczyć i narysować konduktancję
wyjściową
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
g
m
w funkcji napięcia wejściowego
g
m
(U
GS
)
dla danego
typu tranzystora.
E) ANALIZA WYNIKÓW
1. Wykreślić zmierzone charakterystyki, dokonać kompleksowej analizy uzyskanych wyników
pomiarowych oraz obliczeń.
4
;
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
2. Jak należy poprawnie wybrać punkt pracy tranzystora polowego.
3. Czy wartości
U
t
i
U
p
zależą od
U
DS.
?
4. Porównać wartości obliczonych parametrów z wartościami katalogowymi.
Literatura:
1. W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”
2. W. Marciniak „Modele elementów półprzewodników”
3. A.Kusy „Podstawy elektroniki”
4. „Elementy półprzewodnikowe i układy scalone” (katalog UNITRA – CEMI)
5. Gray P.E.,Searle C.L.- „Podstawy elektroniki
6. Praca zbiorowa - „Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych”.
F) Schemat układu pomiarowego
+
mA
I
D
I
G
V
U
D
-U
GG
µ
A
V
U
GS
Rys. 6. Układ pomiarowy tranzystora złączowego z kanałem typu n np. BF 245FET. Do pomiarów można wykorzystać
zasilacz stabilizowany 5121. Do regulacji napięcia ujemnego U
GS
(-U
p
<U
GS
<0) wykorzystać zakres 0 : -20 V, a do na-
pięcia dodatniego U
DS
zakres 0 : +6 V.
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]