Tranzystory polowe, Przwatne, Studia, ELEKTRONIKA
[ Pobierz całość w formacie PDF ]POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
INSTRUKCJA NR5
MD
,
2006/07
TRANZYSTORY POLOWE
Cel ćwiczenia:
Pomiar i analiza charakterystyk statycznych tranzystorów polowych różnych typów
pracujących w układzie wspólnego źródła (WS). Zapoznanie studentów z możliwościami wyznaczenie na
podstawie charakterystyk statycznych parametrów określających podstawowe właściwości tranzystora
polowego.
A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami:
Zapoznanie się z treścią instrukcji. Zapoznanie się z teoretycznymi podstawami działania
tranzystorów polowych oraz ich nazewnictwem. Opracowanie schematów układów do pomiaru
charakterystyk statycznych.
B) WPROWADZENIE
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
Rys. 1
Ogólny podział tranzystorów.
Tranzystory JFET
(Junction Field - Effect Transistor) to tranzystory w których oddzielenie bramki od kanału jest wykonane
za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n.
b)
c)
D
I
D
=0
a)
dren
D
I
D
>0
n
n
kanał n
G
+
G
+
bramka
bramka
U
DS
= 0.1V
p
+
p
+
-
p
+
p
+
-
U
DS
= 0,1V
-
brak kanału
p
+
p
+
-
+
obszary warstwy zaporowej
U
GS
= -4V
S
+
U
GS
=-1V
S
źródło
Rys. 2
Tranzystor polowy złączowy z kanałem typu n. a) szkic struktury; b) wpływ zaporowej polaryzacji złącza p
+
-n na
przewodzenie w kanale. c) sytuacja dla U
GS
= U
P
czyli dla odcięcia kanału.
1
a)
D
I
D
b)
c)
U
G
D
I
D
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. 3
Wpływ 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 jest niezerowy, przy wzroście U
DS
utrzymuje się na niemal stałym 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. 4
Charakterystyki wyjściowe I
D
= (U
DS
) i przejściowe I
D
= (U
GS
) tranzystora JFET z kanałem typu n w układzie ze wspólnym
źródłem. Parametry tego tranzystora: U
P
= -4V oraz I
DSS
= 32 mA.
Tranzystory typu MOSFET
(na przykładzie tranzystora z indukowanym kanałem n). Tranzystory w których bramka jest odizolowana
od kanału cienką warstwą izolatora, (najczęściej dwutlenek krzemu), noszą nazwę tranzystorów polowych z izolowaną bramką MOSFET
(Metal - Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor), MIS (Metal-lnsulator-Seiniconductor) albo IGFET (Insulated Gate Field - Effect
Transistor). Kanał powstaje w wyniku oddziaływania pola elektrycznego przyłożonego pomiędzy bramkę i podłoże.
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. 5
Budowa tranzystora polowego MOSFET z indukowanym kanałem n. Gdy U
GS
> 0 pole elektryczne powoduje odepchnięcie dziur
od powierzchni granicznej izolator-podłoże i przyciągnięcie mniejszościowych elektronów. Jest to
inwersja półprzewodnika
.
I
D
[mA]
obszar
nienasycenia
I
D
[mA]
20
20
16
U
GS
=6V
16
12
obszar nasycenia (pentodowy)
12
U
GS
= 5V
8
8
4
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
2
4
8
10
6
12
Rys. 6
Charakterystyki wyjściowa i przejściowa tranzystora polowego z indukowanym kanałem typu n.
2
C) POMIARY
1.
Ustalić rodzaj, symbol oraz polaryzację tranzystora JFET lub MOSFET w układzie pracy WS.
2.
Zapoznać się z podstawowymi parametrami technicznymi badanego tranzystora. Szczególną uwagę zwrócić
na parametry krytyczne, wyznaczające bezpieczny obszar pomiarów.
3.
Zaproponować układ pomiarowy do badania charakterystyk wyjściowych i przejściowych.
4.
Wyznaczyć prąd nasycenia
I
DSS
.
5.
Wyznaczyć wartość napięcia progowego
U
p
.
Można to zrobić w układzie do pomiaru charakterystyki
przejściowej lub układzie bramki zwartej z drenem, gdy prąd
I
D
osiąga określoną wartość, np. 10 µA.
6.
Zmierzyć charakterystyki przejściowe
I
D
= f(U
GS
)
UDS=par
tranzystora polowego dla co najmniej trzech wartości
U
DS
. Podczas pomiarów zwrócić uwagę na właściwe wyznaczenie napięcia odcięcia
U
p
.
7.
Zmierzyć charakterystyki wyjściowe
I
D
= f(U
DS.
)
UGS=par
dla trzech ustalonych wartości napięcia
U
GS
.
D)
OPRACOWANIE WYNIKÓW
1.
Narysować 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
−
GS
U
)
2
(1)
D
DSS
P
Można to zrobić rysując charakterystykę przejściową w układzie współrzędnych, gdzie na osi pionowej
znajdują się wartości pierwiastka kwadratowego prądu I
D
, zaś na poziomej napięcie wejściowe
U
GS
.
Wówczas (przy poprawnych wynikach pomiarów) wykres powinien być wykresem funkcji liniowej gdyż:
I
D
= −
I
DSS
I
DSS
U
U
GS
(2)
P
to równanie linowe typu
y= ax + b
(3)
gdzie:
y
=
I
;
x
=
U
GS
;
a
=
-
I
DSS
;
b
=
I
.
(4)
D
U
DSS
P
W celu znalezienia parametrów
I
DSS
, U
p
, zastosować metodę regresji liniowej i porównać wyrażenie na
I
D
przekształcone do postaci (2) z równaniem linii prostej (3). Na tej podstawie należy wyznaczyć
współczynniki
a
i
b
równania liniowego (3), a następnie
I
DSS
. Znając
I
DSS
oraz
a
wyznaczyć
U
p
.
Ponieważ
charakterystyki przejściowe mierzone są dla trzech wartości parametru, obliczenia te należy powtórzyć
trzykrotnie. 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 nanieść punkty pomiarowe charakterystyki rzeczywistej. Ocenić uzyskane rezultaty.
3.
Wyznaczyć parametry
U
p
oraz
K
równania opisującego charakterystykę przejściową tranzystora:
U
−
I
=
K
(
GS
U
)
2
(5)
D
p
gdzie: K - stała. Zastosować metodę omówioną w pkt. C2. W tym celu należy narysować punkty pomiarowe
charakterystyki przejściowej w układzie współrzędnych: na osi pionowej pierwiastek kwadratowy prądu
I
D
,
na poziomej napięcie wejściowe
U
GS
Oznacza to wykreślenie funkcji linowej wyrażonej zależnością
U
I
=
K
−
K
GS
(6)
D
U
p
W takim układzie współrzędnych (przy poprawnych wynikach pomiarów) wykres powinien być wykresem
funkcji liniowej określonej równaniem (3). W celu znalezienia parametrów
K
i
U
p
, zastosować metodę
regresji liniowej. Najpierw wyznaczamy współczynniki
a i b
równania liniowego(3). Na tej podstawie
wyliczamy
K
i
U
p
:
y
=
I
;
x
=
U
;
a
=
-
K
;
b
=
K
.
(7)
D
GS
U
p
Ponieważ charakterystyki przejściowe mierzone były dla trzech wartości parametru
U
DS
obliczenia te należy
również powtórzyć trzykrotnie. W przypadku dużych różnic określić ich przyczynę.
3
4.
Na podstawie charakterystyk wyjściowych obliczyć i narysować wykres konduktancji wyjściowej
g
DS
w
funkcji napięcia wyjściowego
g
DS
(U
DS
)
.
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
)
.
E) ANALIZA WYNIKÓW
1.
Wykreślić zmierzone charakterystyki.
2.
Dokonać kompleksowej analizy uzyskanych wyników pomiarów oraz obliczeń.
3.
Opisać jak należy poprawnie wybrać punkt pracy tranzystora polowego.
4.
Czy wartości
U
p
zależą od
U
DS.
?
5.
Porównać wartości obliczonych parametrów z wartościami katalogowymi.
F) SCHEMATY UKŁADÓW POMIAROWYCH
R
D
I
D
+ U
DD
-U
GG
I
G
U
DS
U
GS
Rys. 7
Przykładowy układ pomiarowy tranzystora złączowego z kanałem typu n (np. BF 245).
Literatura pomocnicza:
1.
W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”
2.
A. Kusy „Podstawy elektroniki”
3.
Gray P.E., Searle C.L.- „Podstawy elektroniki”
4.
Stadler A., Kusy A. Kolek A. Elektronika. Zbór zadań. Cz.1 i Cz.2 Podstawowe układy elektroniczne
5.
Kołodziejski J. Spiralski L. Stolarski E. „Pomiary przyrządów półprzewodnikowych”
6.
Korzec Z. Kacprzak T. Tranzystory polowe złączowe”
7.
Katalogi elementów półprzewodnikowych
4
[ Pobierz całość w formacie PDF ]