Wydział Elektroniki Politechniki Wrocławskiej	Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych
^Wykonał Pirosz Paweł		^Grupa -	^Ćw. nr 8	^Prowadzący Prof. J. Zdanowski
Badanie tranzystorów unipolarnych typu JFET i IGFET		^Data wykonania 99.01.06	^Data oddania 99.01.13	^Ocena

WYKAZ PRZYRZĄDÓW :

• Zasilacz napięciowy z narostem napięcia ZLS-3

• Zasilacz napięciowy P317

• Multimetr cyfrowy 1321

• Rejestrator XY

• Tranzystor unipolarny złączowy z kanałem n - BF 245:

U_GDmax (U_GSmax) = 30 V

U_DSmax = ± 30 V

I_Gmax = 10 mA

P_max = 360 mW

U_P = 0,5 - 8 V przy U_DS = 10V i I_D = 10 nA

• Tranzystor unipolarny z izolowaną bramką normalnie wyłączony z kanałem n - IRF 520:

U_GSmax = 40 V

U_DSmax = 100 V

I_DSmax = 8 A

P_max = 1 W

PRZEBIEG ĆWICZENIA :

1. Pomiar charakterystyki wyjściowej tranzystora unipolarnego złączowego BF 245

R₁ = 1 k

R₂ = 10 

Rys. 1. Schemat do wyznaczania charakterystyki wyjściowej tranzystora unipolarnego PNFET

Charakterystyka wyjściowa określa zależność
. Wartości napięć U_GS, przy których wyznaczano charakterystyki wyjściowe, zamieszczono w tabeli:

Lp.	1	2	3	4	5	6
-UGS [ V ]	0,000	0,527	1,398	1,708	2,152	3,050

Charakterystykę wyjściową tranzystora BF 245 zamieszczono na wykresie 1. Napięcie U_DS jest określone czułością 1V/cm, natomiast prąd drenu jest mierzony pośrednio jako spadek napięcia na rezystorze 10 . Ponieważ napięcie na tym rezystorze jest określone czułością 5 mV/cm, to prąd drenu będzie określony czułością 5/10 mV/cm = 0,5 mA/cm.

Na podstawie rodziny charakterystyk wyjściowych można określić wartość konduktancji wyjściowej g_ds., z prostoliniowego odcinka charakterystyki (dla małych U_DS) wartość konduktancji otwartego kanału G_KO oraz transkonduktancję g_m (wyznacza się ją głównie z charakterystyki przejściowej).

Rys. 2. Sposób wyznaczania parametrów g_m, g_ds, G_KO.

Konduktancja wyjściowa g_ds wyznaczona na podstawie charakterystyki wyjściowej z zakresu nasycenia (patrz rys. 2):

Konduktancja kanału otwartego wyznaczona na podstawie charakterystyki wyjściowej z zakresu liniowego dla małych napięć U_DS:

.

Transkonduktancja g_m wyznaczona na podstawie charakterystyki wyjściowej:

Obliczenia:

W celu wyznaczenia konduktancji otwartego kanału przyjmujemy: I_D2 = 4,0mA; I_D1 = 1,5mA; U_DS2 = 1,3V; U_DS1 = 0,5V; U_GS = 0Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:

Czyli ostatecznie G_KO = 3,125⋅10^-3 S przy U_GS = 0V.

W celu wyznaczenia konduktancji wyjściowej g_ds przyjmujemy: I_D2` = 7,3 mA; I<sub>D1</sub>` = 7,2 mA; U_DS2` = 10 V; U<sub>DS1</sub>` = 7 V; U_GS = 0Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:

Czyli ostatecznie g_ds = 3,333⋅10^-5 S przy U_GS = 0V.

W celu wyznaczenia transkonduktancji g_m przyjmujemy: I_D2” = 3,75mA; I_D1” =1,8 mA; U_GS2” =-1,398 V; U_GS1” =-2,152 V; U_DS = 5Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:

Czyli ostatecznie g_m = 2,586⋅10^-3 S przy U_DS = 5V.

Na podstawie charakterystyki wyjściowej wyznaczyć charakterystykę przejściową
. Wyznaczoną w ten sposób charakterystykę przejściową zamieszczono na wykresie 5. Punkty pomiarowe są wyznaczone z wykresu 1 opisującego zależność I_D = f(U_DS), lecz nie są one na nim zaznaczane ze względu na przejrzystość i czytelność charakterystyki wyjściowej, zamieszczono je w poniższej tabeli:

	UDS = 4V	UDS = 6V	UDS = 8V
UGS	ID	ID	ID
[mV]	[mA]	[mA]	[mA]
0	6,800	7,130	7,225
-0,527	6,450	6,720	6,820
-1,398	3,650	3,760	3,850
-1,708	2,850	2,950	3,020
-2,152	1,780	1,820	1,850
-3,050	0,250	0,252	0,255

2. Pomiar charakterystyki przejściowej tranzystora unipolarnego złączowego BF 245

R₁ = 1 k

R₂ = 10 

Rys. 3. Schemat do wyznaczania charakterystyki przejściowej tranzystora unipolarnego PNFET

Charakterystyka przejściowa określa zależność
. Wartości napięć U_DS, przy których wyznaczano charakterystyki przejściowe, zamieszczono w tabeli:

Lp.	1	2	3	4	5	6
UDS [ V ]	0,268	0,587	1,154	1,934	3,070	4,280

Charakterystykę przejściową tranzystora BF 245 zamieszczono na wykresie 2. Napięcie U_GS jest określone czułością 0,5V/cm, natomiast prąd drenu jest mierzony pośrednio jako spadek napięcia na rezystorze 10 . Ponieważ napięcie na tym rezystorze jest określone czułością 10 mV/cm, to prąd drenu będzie określony czułością 10/10 mV/cm = 1 mA/cm.

Na podstawie rodziny charakterystyk przejściowych można określić wartość transkonduktancji g_m, napięcie odcięcia kanału U_P (wartość napięcia U_GS, przy której jest zamykany kanał, I_D = 0) oraz prąd nasycenia I_DSS (dla U_GS = 0).

Rys. 4. Sposób wyznaczania parametrów g_m oraz U_P z charakterystyki przejściowej.

W celu wyznaczenia transkonduktancji g_m przyjmujemy: I_D2 = 5 mA; I_D1 = 4 mA; U_GS2 = -1,06 V; U_GS1 = -1,3 V; U_DS = 4,28Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:

Czyli ostatecznie g_m = 4,167⋅10^-3 S przy U_DS = 4,28V.

Wartość napięcia odcięcia U_P odczytana z wykresu dla I_D = 0 wynosi U_P = - 3,9 V i nie zależy od napięcia U_DS.

Wartość prądu nasycenia I_DSS prz U_GS = 0 odczytana z wykresu wynosi w zależności od napięcia U_DS:

UDS	IDSS
[ V ]	[ mA ]
0,268	1,40
0,587	2,65
1,154	4,85
1,934	6,65
3,070	7,90
4,280	8,15

3. Pomiar charakterystyki wyjściowej tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką IRF 520

R = 10 

Rys. 5. Schemat do wyznaczania charakterystyki wyjściowej tranzystora unipolarnego IGFET

Wartości napięć U_GS, przy których wyznaczano charakterystyki wyjściowe
, zamieszczono w tabeli:

Lp.	1	2	3	4	5
UGS [ V ]	2,90	3,01	3,06	3,09	3,13

Charakterystykę wyjściową tranzystora IRF 520 zamieszczono na wykresie 3. Napięcie U_DS jest określone czułością 0,5V/cm, natomiast prąd drenu jest mierzony pośrednio jako spadek napięcia na rezystorze 10 . Ponieważ napięcie na tym rezystorze jest określone czułością 5 mV/cm, to prąd drenu będzie określony czułością 5/10 mV/cm = 0,5 mA/cm.

Na podstawie rodziny charakterystyk wyjściowych można określić wartość konduktancji wyjściowej g_ds., z prostoliniowego odcinka charakterystyki (dla małych U_DS) wartość konduktancji otwartego kanału G_KO oraz transkonduktancję g_m (wyznacza się ją głównie z charakterystyki przejściowej) - tak samo jak dla tranzystora JFET.

Obliczenia:

W celu wyznaczenia konduktancji otwartego kanału przyjmujemy: I_D2 = 4,3mA; I_D1 = 1,0mA; U_DS2 = 0,30V; U_DS1 = 0,05V; U_GS =3,13Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:

Czyli ostatecznie G_KO = 0,013 S przy U_GS = 3,13V.

W celu wyznaczenia konduktancji wyjściowej g_ds przyjmujemy: I_D2` = 4,85mA; I<sub>D1</sub>` = 4,80mA; U_DS2` = 10V; U<sub>DS1</sub>` = 4V; U_GS = 3,09Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:

Czyli ostatecznie g_ds = 8,333⋅10^-6 S przy U_GS = 3,09V.

W celu wyznaczenia transkonduktancji g_m przyjmujemy: I_D2” = 4,80mA; I_D1” = 2,35 mA; U_GS2” = 3,09V; U_GS1” = 3,01V; U_DS = 4Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:

Czyli ostatecznie g_m = 0,031 S przy U_DS = 4V.

Na podstawie charakterystyki wyjściowej wyznaczyć charakterystykę przejściową
. Wyznaczoną w ten sposób charakterystykę przejściową zamieszczono na wykresie 6. Punkty pomiarowe są wyznaczone z wykresu 3 opisującego zależność I_D = f(U_DS), lecz nie są one na nim zaznaczane ze względu na przejrzystość i czytelność charakterystyki wyjściowej, zamieszczono je w poniższej tabeli:

	UDS = 1V	UDS = 4V	UDS = 7V
UGS	ID	ID	ID
[mV]	[mA]	[mA]	[mA]
3,13	6,45	6,60	6,63
3,09	4,70	4,82	4,85
3,06	3,90	3,95	3,97
3,01	2,33	2,37	2,39
2,90	0,85	0,88	0,90

4. Pomiar charakterystyki przejściowej tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką IRF 520

R = 10 

Rys. 6. Schemat do wyznaczania charakterystyki przejściowej tranzystora unipolarnego IGFET

Wartości napięć U_DS, przy których wyznaczano charakterystyki przejściowe
, zamieszczono w tabeli:

Lp.	1	2	3	4	5	6
UDS [ V ]	0,268	0,587	1,154	1,934	3,070	4,280

Charakterystykę przejściową tranzystora IRF 520 zamieszczono na wykresie 4. Napięcie U_GS jest określone czułością 200mV/cm, natomiast prąd drenu jest mierzony pośrednio jako spadek napięcia na rezystorze 10 . Ponieważ napięcie na tym rezystorze jest określone czułością 10 mV/cm, to prąd drenu będzie określony czułością 10/10 mV/cm = 1 mA/cm.

Na podstawie rodziny charakterystyk przejściowych można określić wartość transkonduktancji g_m oraz napięcia progowego U_T (U_GS przy którym powstaje kanał).

W celu wyznaczenia transkonduktancji g_m przyjmujemy: I_D2 = 9 mA; I_D1 = 4 mA; U_GS2 = 2,6 V; U_GS1 = 3,1 V; U_DS = 4,51Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:

Czyli ostatecznie g_m = 0,001 S przy U_DS = 4,51V.

Wartość napięcia progowego U_T odczytana z wykresu dla I_D = 0 wynosi U_T = 2,5 V i nie zależy od napięcia U_DS.

WNIOSKI I UWAGI:

W pkt. 1 ćwiczenia wyznaczaliśmy charakterystyki wyjściowe tranzystora unipolarnego złączowego z kanałem n BF 245 przy stałym napięciu bramka - źródło. Z charakterystyk tych możemy zauważyć, że przy małych wartościach napięcia U_DE prąd I_D jest liniowo zależny od tego napięcia (spełnione prawo Ohma), a współczynnikiem proporcjonalności jest konduktancja kanału G_K. Z charakterystyk tych widać, że konduktancja ta jest zależna od napięcia bramka - źródło, co obrazują różne nachylenia charakterystyk wyjściowych dla różnych napięć U_GS. Im większa jest ujemna wartość napięcia U_GS, tym konduktancja kanału jest mniejsza. Konduktancja wyjściowa wyznaczona z wykresu dla napięcia U_GS = 0 wynosi 3,333⋅10^-5 S, a więc jest bardzo mała, porównywalna z wartościami katalogowymi. W idealnym modelu tranzystora g_ds=0. Wartość transkonduktancji g_m określa się z charakterystyki przejściowej, ale można wyznaczyć także z charakterystyki wyjściowej, podobnie jak wzmocnienie prądowe h_21E w tranzystorze bipolarnym. Wyznaczona przez nas wartość transkonduktancji wynosi 2,586⋅10^-3 S przy U_DS = 5V. Konduktancję wyjściową można także wyznaczyć znając wartość konduktancji kanału otwartego i napięcie odcięcia (patrz char. przejściowa) ze wzoru g_m = G_KO(1 - U_GS/U_P).

Charakterystyka przejściowa wyznaczona na podstawie charakterystyki wyjściowej (wykres 5) ma podobny kształt do charakterystyki rzeczywistej (pkt. 2 ćwiczenia), a wartości prądu nasycenia są porównywalne (na wyznaczonej charakterystyce I_DSS ≈ 7 mA, zaś na charakterystyce rzeczywistej I_DSS ≈ 8 mA przy odpowiednich napięciach U_DS)

W pkt. 2 ćwiczenia wyznaczaliśmy charakterystyki przejściowe tranzystora BF 245 przy stałym napięciu dren - źródło. Z charakterystyk tych widzimy, że prąd w tranzystorze płynie tylko przy napięciach U_GS mniejszych od napięcia odcięcia U_P, czyli wtedy, gdy kanał jest otwarty. Znak napięcia U_GS jest zależny od typu kanału, ponieważ ma ono polaryzować złącze bramka - kanał w kierunku zaporowym. Mniejszej wartości napięcia U_DS odpowiada mniejsza wartość prądu I_D (również prądu nasycenia I_DSS), ponieważ zmienia się szerokość kanału. Wartość napięcia odcięcia U_P odczytana z wykresu wynosi -3,9V (wartość katalogowa mieści się w przedziale |0,5 - 8| V), zaś transkonduktancja jest rzędu 0,004 S i zależy silnie od punktu pracy, co widać porównując transkonduktancję wyznaczoną z charakterystyki wyjściowej z wartością wyznaczoną z charakterystyki przejściowej (różne napięcia U_DS).

W pkt. 3 ćwiczenia wyznaczaliśmy charakterystyki wyjściowe tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką z kanałem n normalnie wyłączonym IRF 520 przy stałym napięciu bramka - źródło. Podobnie jak to było w tranzystorze złączowym dla małych napięć U_DE prąd I_D proporcjonalny do tego napięcia poprzez konduktancję kanału G_K. Konduktancja wyjściowa wyznaczona z wykresu dla napięcia U_GS = 3,09 wynosi 8,333⋅10^-6 S, a więc jest bardzo mała, porównywalna z wartościami katalogowymi. Wartość transkonduktancji g_m wyznaczona przez nas wynosi 0,031 S przy U_DS = 4V. Na podstawie charakterystyki wyjściowej wyznaczyliśmy charakterystykę przejściową (wykres 6). Na jej podstawie oraz na podstawie charakterystyki wyznaczonej w pkt. 4 ćwiczenia możemy stwierdzić, że wartość napięcia U_DS nie wpływa na kształt charakterystyki.

W pkt. 4 ćwiczenia wyznaczaliśmy charakterystyki przejściowe tranzystora IRF 520 przy stałym napięciu dren - źródło. Tranzystor z kanałem wzbogacanym polaryzuje się podając na bramkę napięcie o znaku przeciwnym do ładunku nośników tworzących prąd w kanale, czyli dla kanału typu n U_GS > 0. Z charakterystyk przejściowych (wykres 3) widzimy, że prąd w tranzystorze płynie tylko przy napięciach U_GS większych niż wartość napięcia progowego U_T, przy którym kanał jest otwierany. W naszym przypadku U_T = 2,5 V (wartość katalogowa jest rzędu 3V). Wyznaczona transkonduktancja wynosi 0,001 S dla U_DS = 4,51V i zależy od punktu pracy. Widoczne załamanie charakterystyki przejściowej dla U_GS rzędu 4V jest spowodowane włączeniem się ogranicznika prądowego na zasilaczu.

- 1 -

---