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.