P

OLITECHNIKA WI TOKRZYSKA

W

K

IELCACH

W

YDZIAŁ

E

LEKTROTECHNIKI

,

A

UTOMATYKI I

I

NFORMATYKI

K

ATEDRA

E

LEKTRONIKI I

S

YSTEMÓW

I

NTELIGENTNYCH

L

ABORATORIUM

P

ODSTAW

E

LEKTRONIKI

I

NSTRUKCJA

L

ABORATORYJNA

WICZENIE NR

5:

B

ADANIE TRANZYSTORÓW POLOWYCH ZŁ CZOWYCH

K

IELCE

2006

- 2 -

1. Wst p teoretyczny

Tranzystory unipolarne (polowe) stanowi obok tranzystorów bipolarnych drug wa n klas tych

elementów elektronicznych. Przewodzenie pr du w tych tranzystorach oparte jest tylko na jednym

rodzaju no ników wi kszo ciowych, st d nazwa unipolarne. Wspóln cech wszystkich tranzystorów

unipolarnych jest oddziaływanie pola elektrycznego na rezystancj półprzewodnika, st d nazwa polowe.

Tranzystory unipolarne s sterowane napi ciowo – napi ciem U

GS

.

Do grupy tranzystorów unipolarnych nale :

•

tranzystory unipolarne zł czowe (JFET)

•

tranzystory unipolarne z izolowan bramk (IGFET)

1.1. Rodzaje tranzystorów unipolarnych zł czowych

Tranzystory unipolarne zł czowe dziel si na dwa rodzaje:

•

z kanałem typu

p

•

z kanałem typu

n

Rys. 1. Oznaczenie graficzne tranzystora unipolarnego zł czowego

1.2. Budowa tranzystora unipolarnego zł czowego

Rys. 2. Budowa wewn trzna tranzystora unipolarnego zł czowego z kanałem typu

n

Tranzystor

JFET składa si z obszaru półprzewodnika typu n lub p, do którego w jednym ko cu

doł czona jest elektroda

S, czyli ródło a na drugim ko cu elektroda D, czyli dren. Trzecia elektroda G –

bramka poł czona jest z obszarem typu przeciwnego do obszaru kanału. Tworzy si dookólne zł cze

p–n

wytworzone metod dyfuzji lub wtopienia.

D (Dren)

G (Bramka)

S ( ródło)

Kanał typu

n

D

G

S

Kanał typu

p

D (Drain)

G (Gate)

S (Source)

ródło

Dren

n

p

p

n

Bramka

kanał

Warstwa zaporowa

- 3 -

1.3. Zasada działania oraz układy polaryzacji tranzystora unipolarnego

zł czowego

Rys. 3. Układy prawidłowej polaryzacji tranzystorów unipolarnych zł czowych.

Jak wida z rysunku 3, ródło i dren s tak spolaryzowane, aby umo liwi przepływ no ników

wi kszo ciowych przez kanał od ródła do drenu. W tranzystorach z kanałem

n przepływaj elektrony a

w tranzystorach typu

p przepływaj dziury. Zł cze bramka – kanał musi by spolaryzowane w kierunku

zaporowym.

Jak wiadomo, w pobli u zł cza

p–n powstaje warstwa zaporowa. Warstwa ta jest szersza od strony

kanału, a w sza od strony bramki. Wynika to z niejednakowego domieszkowania tych warstw (silniejsze

w bramce, słabsze w kanale). Warstwa zaporowa ma du rezystancj i powoduje zmniejszenie czynnego

przekroju kanału, przez który przepływa pr d. Wraz ze zwi kszeniem polaryzacji zł cza

p–n w kierunku

zaporowym (zwi kszenie napi cia U

GS

) rozszerza si warstwa zaporowa i jej gł boko wnikania w

kanał. Dla napi cia U

GS

=U

p

kanał jest zablokowany i pr d drenu przestaje płyn . Zatem dla ustalonego

napi cia mi dzy ródłem a drenem, rezystancja kanału, a wi c i pr d drenu b dzie funkcj napi cia

mi dzy bramk a ródłem.

1.4. Układy wł czenia tranzystora unipolarnego zł czowego

Tranzystory polowe zł czowe mog wyst powa w trzech konfiguracjach układowych :

•

wspólnego ródła (

WS)

•

wspólnego drenu (

WD)

•

wspólnej bramki(

WG)

Rys. 4. Układy pracy tranzystora zł czowego typu

n a) WS, b) WG, c) WD

Najcz ciej wykorzystuje si układ

WS i wła nie w tym układzie dokonuje si pomiaru

charakterystyk.

D

G

S

a)

U

wy

U

we

WS

b)

WG

c)

WD

S

G

D

U

wy

U

we

D

U

wy

S

U

we

G

D

G

S

n

p

p

n

kanał typu

n

D

G

S

p

n

n

p

kanał typu

p

U

GS

U

DS

U

GS

U

DS

- 4 -

1.5. Charakterystyki tranzystora unipolarnego zł czowego

Wła ciwo ci statyczne tranzystora unipolarnego opisuj rodziny charakterystyk przej ciowych i

wyj ciowych.

Charakterystyki przej ciowe (bramkowe) przedstawiaj zale no pr du I

D

od napi cia bramka –

ródło U

GS

, przy stałym U

DS

.

Charakterystyczne wielko ci krzywych:

•

U

P

- napi cie odci cia bramka – ródło – napi cie jakie nale y doprowadzi do bramki , aby przy

ustalonym napi ciu U

DS

nie płyn ł pr d drenu.

•

I

DSS

- pr d nasycenia - pr d drenu płyn cy przy napi ciu U

GS

=0 i okre lonym napi ciu U

DS

.

Rys. 5. Charakterystyki tranzystora polowego zł czowego z kanałem typu

n

Charakterystyki wyj ciowe (drenowe) przedstawiaj zale no mi dzy pr dem drenu I

D

i napi ciem

dren – ródło U

DS

, przy stałym U

GS

.

Wyró nia si cztery zasadnicze zakresy charakterystyk tranzystora unipolarnego zł czowego:
(1) Zakres liniowy (triodowy). Pr d I

D

ze wzrostem napi cia U

DS

wzrasta w przybli eniu liniowo.

P

GS

U

U

<

,

DSsat

DS

U

U

≤

DS

DSsat

GS

D

U

G

U

U

G

I

⋅

⋅

−

+

=

2

2

1

1

1

1

2

3

4

5

6

7

8

-1,8

-1,5

-1,2

-0,9

-0,6

-0,3

9

U

DS

[V]

U

GS

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

I

D

[mA]

[V]

U

DS

=5V

U

DS

=1V

P

P1

Ch-ka przej ciowa

(

)

const

U

GS

D

DS

U

f

I

=

=

Charakterystyka wyj ciowa

(

)

const

U

DS

D

GS

U

f

I

=

=

I

D1

I

D2

P2

P

P3

P4

U

GS

=-3V

U

GS

=-4V

U

DS

U

GS

U

p

I

DSS

(

1)

(

2)

U

GS

=0V

U

GS

=-1V

U

GS

=-2V

U

DSsat

- 5 -

1

G - konduktancja kanału przy

0

=

GS

U

G

C

C

Q

G

=

2

C

Q -ładunek elektryczny przy

0

=

GS

U

,

G

C - pojemno zł cza.

(2) Zakres nasycenia (pentodowy). U

DS

nieznacznie wpływa na warto pr du drenu, za bramka

zachowuje wła ciwo ci steruj ce.

P

GS

U

U

<

,

DSsat

DS

DS

U

U

U

>

≥

max

2

1

−

≈

p

GS

DSS

D

U

U

I

I

(3) Zakres powielania lawinowego

GS

U

- dowolne,

max

DS

DS

U

U

>

(4) Zakres zatkania (nieprzewodzenia).

DS

U

- dowolne,

P

GS

U

U

≥

1.6. Parametry tranzystora unipolarnego

Tranzystory unipolarne charakteryzuje si parametrami dla du ych warto ci sygnałów (parametrami

statycznymi) oraz parametrami dla małych warto ci sygnałów (parametrami dynamicznymi).

Parametry statyczne – to przede wszystkim parametry graniczne:
I

Dmax

- dopuszczalny pr d drenu (od kilku do kilkudziesi ciu mA)

U

DSmax

- dopuszczalne napi cie dren- ródło(od kilkunastu do kilkudziesi ciu V)

P

Dmax

- dopuszczalne straty mocy (od kilkudziesi ciu do kilkuset mV)

Parametry dynamiczne

Wprowadza si nast puj ce parametry małosygnałowe:

const

U

U

I

U

U

I

I

DS

GS

D

GS

GS

D

D

=

∆

∆

=

−

−

=

1

1

2

1

2

m

g

- konduktancja wzajemna (transkonduktancja) w punkcie

P(U

GS

,I

D

) (zgodnie z oznaczeniami z rys 5.

P1(U

GS1

,I

D1

),

P2(U

GS2

,I

D2

))

W interpretacji graficznej jest to tangens k ta nachylenia stycznej do charakterystyki przej ciowej w

okre lonym punkcie

P.

const

U

U

I

U

U

I

I

r

GS

DS

D

DS

DS

D

D

d

=

∆

∆

=

−

−

=

2

4

4

3

4

1

- konduktancja drenu (konduktancja wyj ciowa) w punkcie

P(U

DS

,I

D

) (zgodnie z oznaczeniami z rys 5.

P3(U

GS3

,I

D3

),

P4(U

GS4

,I

D4

))

W interpretacji graficznej jest to tangens k ta nachylenia stycznej do charakterystyki wyj ciowej w

okre lonym punkcie

P.

const

U

I

U

r

GS

D

DS

d

=

∆

∆

=

- rezystancja drenu (rezystancja wyj ciowa) (w zakresie liniowym –

przyjmuje niewielkie warto ci, w zakresie nasycenia – od kilkudziesi ciu do kilkuset k

Ω).

- 6 -

2. Przebieg wiczenia

2.1. Wyznaczanie charakterystyk tranzystora unipolarnego zł czowego

Schemat pomiarowy

Rys. 9. Układ do pomiaru charakterystyk tranzystora unipolarnego zł czowego z kanałem typu

n

Sposób przeprowadzenia pomiarów

•

Poł czy układ pomiarowy przedstawiony na rys.9. (R

D

=1k

Ω, R

1

=100k

Ω, R

2

=10k

Ω).

•

Wykona pomiary charakterystyki przej ciowej

(

)

const

U

GS

D

DS

U

f

I

=

=

dla kilku (okre la

prowadz cy) stałych warto ci napi cia U

DS

. Pomiar polega na ustawieniu regulowanym

zasilaczem E

G

napi cia U

GS

(woltomierz

V

GS

), ustawieniu regulowanym zasilaczem E

D

okre lonej

stałej warto ci napi cia U

DS

(woltomierzem

V

DS

), i odczycie wskaza wszystkich przyrz dów

pomiarowych. Wyniki notujemy w tabeli 1. Napi cie U

GS

nale y zmienia w zakresie od 0 do

napi cia progowego U

P

(pr d drenu I

D

=0)

•

Okre li napi cie progowe U

p

tranzystora.

•

Wykona pomiary charakterystyki wyj ciowej

(

)

const

U

DS

D

GS

U

f

I

=

=

tranzystora unipolarnego

zł czowego z kanałem typu

n dla stałych warto ci napi cia U

GS.

: U

GS1

=0,25U

P

U

GS2

=0,5U

P

U

GS3

=0,75U

P.

Pomiar polega na ustawieniu regulowanym zasilaczem E

G

okre lonej warto ci

napi cia U

GS

(woltomierzem

V

GS

), ustawieniu regulowanym zasilaczem E

D

napi cia U

DS

(woltomierz

V

DS

), i odczycie wskaza wszystkich przyrz dów pomiarowych. Wyniki notujemy w

tabeli 2. Napi cie U

DS

nale y zmienia si w zakresie od 0 do 15V.

Tabela pomiarowa
Tabela. 1. Pomiar charakterystyki przej ciowej

(

)

const

U

GS

D

DS

U

f

I

=

=

U

DS

=…V

U

DS

=…V

U

DS

=…V

Lp

U

GS

[V]

I

D

[mA]

U

GS

[V]

I

D

[mA]

U

GS

[V]

I

D

[mA]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11

12.

E

G

G

R

1

V

GS

mA

R

D

E

D

V

DS

R

2

D

S

I

D

- 7 -

Tabela. 2. Pomiar charakterystyki wyj ciowej

(

)

const

U

DS

D

GS

U

f

I

=

=

U

GS

=…V

U

GS

=…V

U

GS

=…V

Lp

U

DS

[V]

I

D

[mA]

U

DS

[V]

I

D

[mA]

U

DS

[V]

I

D

[mA]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11

12.

13.

14.

15.

3. Opracowanie wyników pomiaru

W sprawozdaniu nale y zamie ci :

1.

Schemat pomiarowe realizowany na wiczeniu.

2.

Tabele pomiarowe z wynikami.

3.

Charakterystyki tranzystora polowego zł czowego sporz dzone na podstawie przeprowadzonych

pomiarów.

4.

Wyznaczenie parametrów r

d

, g

m

, - dla okre lonych warto ci U

GS

, U

DS

(podanych przez

prowadz cego).

5.

Wnioski.