POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki iii2012

1

TRANZYSTORY POLOWE JFET I MOSFET

Celem ćwiczenia jest pomiar podstawowych charakterystyk 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 wybranych tranzystorów dostępnych np. na

http://www.datasheetcatalog.org

www.elenota.pl

http://unitrel.pl/index.php?go=15&tech=1&id=10&find=0&folder=dane/tranzystory&wyb=tranzystory

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 iii2012

2

Rys. 1. Uniwersalny laboratoryjny układ połączeniowy do badania tranzystorów oraz podstawka do samych
tranzystorów, umożliwiająca podłączenie tranzystorów o różnych wyprowadzeniach końcówek.

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.

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

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki iii2012

3

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 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 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. Dla badanych tranzystorów i ustalonych z prowadzącym punktami pracy, dokonać obliczeń

wartości rezystorów polaryzujących dla układów przedstawionych na rys. C1 (przyjmując jako
dane, wyliczone na podstawie pomiarów parametry tranzystorów).

11. Dokonać obliczeń wzmocnienia, rezystancji wejściowej i wyjściowej dla układu:

a) ze sprzężeniem zwrotnym
b) bez sprzężenia zwrotnego po dołączeniu odpowiedniego kondensatora C

S

(jego wartość

wyliczyć)

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki iii2012

4

a) b) c) d)

Rys. C1 Wybrane układy polaryzacji tranzystorów polowych we wzmacniaczach napięciowych.

12. Jakie są aktualne osiągnięcia technologiczne w produkcji tranzystorów MOSFET.

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.

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki iii2012

5

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.

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:

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki iii2012

6

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.