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.