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
6:
B
ADANIE TRANZYSTORÓW
MOS
K
IELCE
2006
- 2 -
1. Wst p teoretyczny
Do grupy tranzystorów unipolarnych nale tranzystory z izolowan bramk (IGFET). W obr bie
rodziny tranzystorów IGFET wyró niamy:
•
tranzystory MIS (ang. Metal–Insulator–Semiconductor, co oznacza układ: metal–izolator–
półprzewodnik)
•
tranzystory cienkowarstwowe TFT
Szczególnym przypadkiem tranzystorów MIS s tranzystory MOS (ang. Metal–Oxide–
Semiconductor, co oznacza układ: metal–tlenek–półprzewodnik). S one u ywane nieporównywalnie
cz ciej ni tranzystory cienkowarstwowe.
1.1. Rodzaje tranzystorów unipolarnych MOS
Tranzystory polowe MOS dziel si na „normalnie zał czone” i „normalnie wył czone”.
W ka dej z tych dwu podgrup wyró niamy tranzystory z kanałem typu
n i z kanałem typu p.
Rys. 1. Oznaczenia graficzne tranzystora unipolarnego MOS z kanałem wzbogacanym tranzystor
„normalnie wył czony” a) typu
p b) typu n. Oznaczenia graficzne tranzystora unipolarnego
MOS z kanałem zubo anym, tranzystor „normalnie zał czony” c) typu
p; d) typu n.
1.2. Budowa i zasada działania tranzystora unipolarnego MOS
a)
b)
Rys. 2 Tranzystor unipolarny MOS:.a) tranzystor „normalnie wył czony”,b) tranzystor „normalni
zał czony”
W tranzystorach polowych MOS wyst puj 4 elektrody:
•
ródło (ang. Source), oznaczone liter S. Jest elektrod , z której wypływaj no niki ładunku do
kanału. Pr d ródła oznacza si jako I
S
.
•
Dren (ang. Drain), oznaczone liter D. Jest elektrod , do której dochodz no niki ładunku.
Pr d drenu – I
D
, napi cie dren- ródło – U
DS
•
Bramka (ang. Gate), oznaczone liter G. Jest elektrod steruj c przepływem ładunków. Napi cie
bramka- ródło – U
GS
•
Podło e, oznaczone symbolem B. Elektroda ta spełnia podobn rol steruj c jak bramka.
Jest ona oddzielona od kanału tylko zł czem
p-n. Gdy nie korzysta si z funkcji steruj cej
D
G
S
a)
B
D
G
S
b)
B
D
G
S
c)
B
D
G
S
d)
B
- 3 -
podło a, wówczas ł czy si je ze ródłem. Poł czenie to mo e by wykonane wewn trz obudowy
i wtedy nie ma wyprowadzenia na zewn trz.
Obowi zuje nast puj ca zasada polaryzacji podło a:
•
w tranzystorze z kanałem
p podło e powinno by na najwy szym potencjale,
•
w tranzystorze z kanałem
n – na najni szym potencjale.
Gdy warunek ten nie jest spełniony, zł cze kanał – podło e mo e zosta spolaryzowane w kierunku
przewodzenia, co zazwyczaj powoduje uszkodzenie tranzystora.
Tranzystor polowy zł czowy „
normalnie wył czony” z kanałem typu n zawiera podło e krzemowe
typu
p o niewielkiej koncentracji domieszek oraz bogato domieszkowane obszary typu n ródła i drenu.
ródło i dren nie s poł czone kanałem. Powierzchnia podło a jest pokryta izolacyjn warstw tlenku
krzemu, na której jest umieszczona warstwa aluminium tworz ca elektrod bramki. Warstwa izolacyjna
oraz elektroda zachodz na obszar ródła i drenu. Je li do bramki przyło ymy napi cie dodatnie
wzgl dem podło a, to na powierzchni krzemu pod warstw tlenku zaindukuje si ładunek ujemny.
Wytworzone pole elektryczne odepchnie dziury od powierzchni. Dostatecznie silne pole usunie z obszaru
przypowierzchniowego wszystkie no niki wi kszo ciowe — dziury, przyci gaj c no niki mniejszo ciowe
— elektrony. Przy powierzchni znajdzie si wi cej elektronów ni dziur. Nast pi zmiana typu
przewodnictwa z
p na n i dwa obszary typu n ( ródło i dren) zostan poł czone w skim kanałem.
Je li dren spolaryzujemy napi ciem U
DS
dodatnim wzgl dem ródła, to nast pi przepływ elektronów
kanałem od ródła do drenu. W praktyce podło e i ródło s zwarte i napi cie U
GS
indukuj ce kanał jest
przykładane mi dzy bramk i ródło.
Gdy napi cie dren- ródło U
DS
jest dodatnie i porównywalne z napi ciem bramka- ródło U
GS
pole
elektryczne zmienia si wzdłu indukowanego kanału. Pole jest najsilniejsze przy ródle, gdzie na
warstwie tlenku krzemu wyst puje napi cie U
GS
, najsłabsze za przy drenie, gdzie wyst puje napi cie
U
GS
—U
DS
. Charakterystyki pr du maj wi c przebieg nieliniowy. Gdy oba napi cia s równe zanika przy
drenie kanał indukowany. Pr d drenu I
D
ustala si i dalsze zwi kszanie U
DS
nie wpływa na jego warto .
Pr dem drenu steruje si zmieniaj c warto ci napi cia bramki U
GS
. Przy dostatecznie du ych
napi ciach bramki o kierunku przepustowym (du e napi cie dodatnie w przypadku podło a typu
p)
b dzie płyn ł pr d maksymalny. Przy małych napi ciach bramki popłynie mały pr d. Napi cie bramki,
przy którym indukuje si kanał nosi nazw napi cia zał czania.
W przypadku tranzystora o podło u typu
n najwi kszy pr d popłynie po przyło eniu do bramki
du ego ujemnego napi cia.
Tranzystor polowy z izolowan bramk „
normalnie zał czony" zawiera kanał wykonany z materiału
o takim samym typie przewodnictwa, co ródło i dren. Ró ni si on od tranzystora polowego zł czowego
tym, e bramka jest odizolowana od podło a warstw dielektryka — tlenkiem krzemu. Odpowiednia
obróbka w procesie produkcji powierzchni styku tlenek-półprzewodnik powoduje powstanie na nim
dodatniego ładunku powierzchniowego wytwarzaj cego pole elektryczne. Napi cie bramki o kierunku
przewodzenia zwi ksza nat enie pola elektrycznego, zmniejsza rezystancj ródło-dren, a wi c zwi ksza
pr d drenu I
D
. Napi cie bramki o kierunku zaporowym zmniejsza nat enie pola, zmniejsza czynny
przekrój kanału, a wi c zmniejsza pr d drenu I
D
. Całkowite odci cie kanału uzyskuje si przy rednich
warto ciach nat enia pola elektrycznego. Płynie wtedy pr d nasycenia drenu o warto ci niezale nej od
napi cia ródło-dren. Napi cie bramki o kierunku zaporowym, przy którym nast puje odci cie kanału
nosi nazw napi cia wył czania..
1.3. Układy wł czenia tranzystora unipolarnego MOS
Tranzystory polowe MOS mog wyst powa w trzech konfiguracjach układowych:
•
wspólnego ródła (
WS)
•
wspólnego drenu (
WD)
•
wspólnej bramki (
WG)
- 4 -
Rys. 3. Układy wł czenia tranzystora polowego MOS: a) układ
WS; b) układ WG; c) układ WD.
Zdecydowanie najcz ciej wykorzystywany jest układ
WS i wła nie w tym układzie dokonuje si
pomiaru charakterystyk.
Rys. 4. Polaryzacja tranzystora unipolarnego MOS ze wzbogaconym kanałem typu
p
w układzie
WS.
1.4. 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:
•
konduktancja wzajemna (transkonduktancja) w punkcie
P(U
GS
,I
D
)
const
U
U
I
U
U
I
I
DS
GS
D
GS
GS
D
D
=
∆
∆
=
−
−
=
1
1
2
1
2
m
g
(zgodnie z oznaczeniami z rys 9.
P1(U
GS1
,I
D1
),
P2(U
GS2
,I
D2
))
•
konduktancja drenu (konduktancja wyj ciowa) punkcie
P(U
DS
,I
D
)
const
U
U
I
U
U
I
I
r
GS
DS
D
DS
DS
D
D
d
=
∆
∆
=
−
−
=
2
4
4
3
4
1
(zgodnie z oznaczeniami z rys 4.
P3(U
GS3
,I
D3
),
P4(U
GS4
,I
D4
))
•
rezystancja drenu (rezystancja wyj ciowa) punkcie
P(U
DS
,I
D
)
const
U
I
U
r
GS
D
DS
d
=
∆
∆
=
(w zakresie liniowym – przyjmuje niewielkie warto ci, w zakresie nasycenia – od kilkudziesi ciu do
kilkuset k
Ω).
D
G
S
a)
U
wy
U
we
WS
b
)
WG
WD
D
U
wy
S
U
we
G
B
S
G
D
c)
U
wy
U
we
B
D
G
S
B
E
D
E
G
E
B
- 5 -
Rys. 5. Charakterystyki tranzystora polowego MOS ze wzbogacanym kanałem typu
p
1.5. Charakterystyki tranzystora unipolarnego MOS
Wła ciwo ci statyczne tranzystora unipolarnego opisuj rodziny charakterystyk przej ciowych i
wyj ciowych. Charakterystyki te zamieszczono na rys. 6. dla ró nych rodzajów tranzystorów
unipolarnych MOS.
Charakterystyki tego typu tranzystorów mo na wyrazi nast puj cymi zale no ciami:
w zakresie liniowym:
(
)
−
⋅
−
⋅
β
≈
2
2
DS
DS
T
GS
D
U
U
U
U
I
w zakresie nasycenia:
(
)
2
2
T
GS
D
U
U
I
−
⋅
≈
β
gdzie:
β - współczynnik transkonduktancji -parametr zale ny od wła ciwo ci struktury tranzystora
U
T
– napi cie progowe.
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-12
-10
-8
-6
-4
-2
-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-a 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
= -8V
U
GS
= -7V
U
DS
U
GS
U
T
U
GS
= -11V
U
GS
= -10V
U
GS
= -9V
- 6 -
Rys. 6. Charakterystyki przej ciowe i wyj ciowe tranzystora polowy MOS z kanałem: a) zubo anym
typu
p,. b) zubo anym typu n,. c) wzbogacanym typu p, d) wzbogacanym typu n.
a)
I
D
U
GS
1
2
3
[V]
-1
-2
-3
0
2
4
6
[mA]
U
DS
= -20V
8
b)
I
D
U
GS
1
2
3
[V]
-1
-2
-3
0
2
4
6
[mA]
U
DS
= 20V
8
U
T
=3V
U
T
=-3V
U
GS
-15
-10
-5
[V]
-25
-30
-20
I
D
0
2
4
6
[mA]
8
U
GS
= 1V
U
GS
= 0V
U
GS
= -1V
U
GS
= -2V
U
GS
[V]
20
25
30
10
5
15
I
D
0
2
4
6
[mA]
8
U
GS
= -1V
U
GS
= 0V
U
GS
= 1V
U
GS
= 2V
c)
I
D
U
GS
-6
-4
-2
[V]
-10
-12
-14
0
2
4
6
[mA]
U
DS
= -20V
8
d)
I
D
U
GS
8
10
12
[V]
4
0
2
4
6
[mA]
U
DS
= 20V
8
U
T
= -4V
U
T
= 4V
U
GS
-15
-10
-5
[V]
-25
-30
-20
I
D
0
2
4
6
[mA]
8
U
GS
= -8V
U
GS
= -10V
U
GS
= -12V
U
GS
= -14V
U
GS
[V]
20
25
30
10
5
15
I
D
0
2
4
6
[mA]
8
U
GS
= 8V
U
GS
=10V
U
GS
= 12V
U
GS
= 14V
-8
2
6
14
Tranzystor MOS ze zubo anym kanałem typu
p
Tranzystor MOS ze zubo anym kanałem typu
n
Tranzystor MOS ze wzbogacanym kanałem typu
p
Tranzystor MOS ze wzbogacanym kanałem typu
n
(
)
const
U
GS
D
DS
U
f
I
=
=
(
)
const
U
DS
D
GS
U
f
I
=
=
- 7 -
2. Przebieg wiczenia
2.1 Wyznaczanie charakterystyk tranzystora unipolarnego MOS
Schemat pomiarowy
Rys. 7. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych tranzystora unipolarnego MOS
ze wzbogacanym kanałem typu
p
Sposób przeprowadzenia pomiarów
•
Poł czy układ pomiarowy zgodnie z rys. 7. (R
D
=1k
Ω, R
1
=100k
Ω)
•
Wykona pomiary charakterystyki przej ciowej
(
)
const
U
GS
D
DS
U
f
I
=
=
U
B
=0V, 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
(woltomierz
V
DS
), i odczycie pr du drenu I
D
(miliamperomierz
mA) .
Wyniki notujemy w tabeli 1. Napi cie U
GS
nale y zmienia w zakresie od napi cia progowego U
T
(pr d drenu I
D
=0) do -15V
•
Okre li napi cie progowe U
T
tranzystora.
•
Wykona pomiary charakterystyki wyj ciowej
(
)
const
U
DS
D
GS
U
f
I
=
=
dla stałych warto ci
napi cia U
GS.
:
V
U
U
T
GS
2
1
−
=
,
V
U
U
T
GS
4
2
−
=
,
V
U
U
T
GS
6
3
−
=
.
Pomiar polega na
ustawieniu regulowanym zasilaczem E
G
okre lonej warto ci napi cia U
GS
(woltomierz
V
GS
),
ustawieniu regulowanym zasilaczem E
D
napi cia U
DS
(woltomierz
V
DS
), i odczycie pr du drenu I
D
(miliamperomierz
mA). Wyniki notujemy w tabeli 2. Napi cie U
DS
nale y zmienia si w zakresie
od 0 do -15V.
•
Ustawi napi cie podło a U
B
=5V
(E
B
=5V). Wykona charakterystyk wyj ciow
(
)
const
U
DS
D
GS
U
f
I
=
=
dla jednej stałej warto ci U
GS
(takiej jak dla U
B
=0V) oraz charakterystyk
przej ciow
(
)
const
U
GS
D
DS
U
f
I
=
=
dla jednej stałej warto ci U
DS
(takiej jak dla U
B
=0V). Wyniki
zanotowa w tabeli 1 lub 2.
R
D
E
G
G
R
1
V
GS
mA
E
D
V
DS
D
S
I
D
E
B
B
- 8 -
Tabele pomiarowe
Tabela. 1. Pomiar charakterystyki przej ciowej
(
)
const
U
GS
D
DS
U
f
I
=
=
U
B
=…V U
DS
=…V
U
B
=…V U
DS
=…V
U
B
=…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.
Tabela. 2. Pomiar charakterystyki wyj ciowej
(
)
const
U
DS
D
GS
U
f
I
=
=
U
B
=…V U
GS
=…V
U
B
=…V U
GS
=…V
U
B
=…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.
2. Opracowanie wyników pomiaru
W sprawozdaniu nale y zamie ci :
1.
Schemat pomiarowy realizowany na wiczeniu.
2.
Tabele pomiarowe z wynikami.
3.
Charakterystyki tranzystora polowego MOS sporz dzone na podstawie przeprowadzonych pomiarów
dla U
B
=0V.
4.
Charakterystyki tranzystora polowego MOS dla U
B
=5V. Na tym samym rysunku powtórzy
odpowiedni charakterystyk dla U
B
=0V.
5.
Wyznaczenie parametrów r
d
, g
m
, - dla okre lonych warto ci U
B
=0V, U
GS
, U
DS
(podanych przez
prowadz cego).
6.
Wnioski.