AD2 - Podstawy elektrotechniki i elektroniki. Laboratorium

TRANZYSTOR UNIPOLARNY

W ćwiczeniu mierzone będą charakterystyki tranzystorów unipolarnych: złączowego (JFET) i z izolowaną bramką (MOSFET). Przed przystąpieniem do pomiarów należy dokonać identyfikacji końcówek i zapoznać się z parametrami (zwłaszcza dopuszczalnymi) badanego tranzystora. W czasie pomiarów należy zwracać szczególną aby nie przekroczyć dopuszczalnej mocy admisyjnej tranzystora, co oznacza, że iloczyn prądu i napięcia w żadnym punkcie pomiarowym nie powinien przekraczać podanej w katalogu wartości.

Ponadto, niezależnie powinny być spełnione warunki: ID < IDmax oraz napięcia UDS i UGS

mniejsze od dopuszczalnych. Dane katalogowe tranzystorów dołączono do instrukcji. Należy również zwracać uwagę na dobór odpowiednich zakresów pomiarowych mierników oraz na dopuszczalne prądy rezystorów dekadowych.

Opis przebiegu ćwiczenia dotyczy zasadniczo pomiarów tranzystora z kanałem typu n – w przypadku pomiarów elementu innego typu procedurę postępowania należy dostosować do rodzaju badanego tranzystora (polaryzacje napięć, parametry dopuszczalne itp.).

Tranzystor z izolowaną bramką – MOSFET

1. Połączyć układ pomiarowy według rys. 1. Należy zwrócić uwagę na właściwą polaryzację końcówek tranzystora. Tranzystory IRF 530 lub MTD20N03 to tranzystory MOS z kanałem typu n, normalnie wyłączonym (w przypadku badania innych elementów – patrz dane katalogowe).

Rys. 1. Schemat ogólny układu do pomiaru charakterystyk statycznych tranzystora MOSFET.

2. Dokonać pomiaru napięcia progowego Up (w przypadku tranzystorów z kanałem wzbogacanym napięcie to bywa często nazywane napięciem tworzenia i oznaczane jako UT).

Przyjąć wartość prądu ID, przy której można uznać kanał za utworzony (zamknięty) zgodną z danymi katalogowymi danego tranzystora. Pomiar wykonać przy trzech różnych wartościach

 U 

DS

z przedziału 1...10V.

3. Zmierzyć charakterystyki wyjściowe I ( U ) dla trzech różnych wartości parametru U

DS

DS

GS

z przedziału zmienności od UT do około 2 UT (dla tranzystora z kanałem indukowanym, o ile wcześniej nie wystąpi ograniczenie wynikające z dopuszczalnej mocy admisyjnej/prądu drenu bądź wydajności zasilacza-w przypadku tranzystorów MOS dużej mocy), względnie od 0V

(znów – o ile wcześniej nie wystąpią w/w ograniczenia) do Up dla tranzystorów z kanałem zubożanym. Każda z charakterystyk powinna być zmierzona zarówno w zakresie rezystancyjnym jak i nasycenia i składać się z około 10-15 punktów pomiarowych.

4. Zmierzyć charakterystykę przejściową I ( U ) dla trzech różnych wartości parametru D

GS

U ,

w

zakresie

zmienności

U :

0 < U  < U (kanał

wbudowany)

lub

DS

GS

GS

p

U 





T < U

< 2U

(wzbogacany). Należy wykonać po około 10pkt. pomiarowych dla

GS

T

danej wartości parametru.

5. Zmierzyć prąd nasycenia drenu I

badanego tranzystora. Jest to wartość prądu drenu

DSS

zmierzona przy U





GS = 0 w punkcie  U

=  U .

DS

p

Opracowanie wyników pomiarów:

1. Narysować wszystkie zmierzone charakterystyki.

2. Na podstawie charakterystyk przejściowych i wyjściowych obliczyć i wykreślić konduktancję wyjściową, g

( U ) oraz

DS,

w funkcji napięcia wyjściowego gDS DS

transkonduktancję, gm, w funkcji napięcia wejściowego gm( UGS).

3. Wyznaczyć parametry K oraz UP równania opisującego charakterystykę przejściową tranzystora unipolarnego pracującego w zakresie nasycenia:

U

GS

2

I

= K 1

( −

) gdzie: - I – prąd drenu,

D

U

D

P

- U – napięcie bramka źródło,

GS

- U – napięcie progowe,

P

- K – stała zależna od wymiarów struktury tranzystora i ruchliwości nośników prądu

Aby to zrobić należy narysować charakterystykę przejściową w układzie współrzędnych w którym na osi pionowej znajduje się pierwiastek kwadratowy prądu wyjściowego ( ID), zaś na osi poziomej, liniowej, napięcie wejściowe UGS W takim układzie współrzędnych (przy poprawnych wynikach pomiarów) wykres powinien być wykresem funkcji liniowej. W celu znalezienia parametrów I

, U , należy zastosować metodę regresji liniowej. Należy

DSS

P

porównać wyrażenie na I przekształcone do postaci:

D

U

GS

I

= K − K

z równaniem opisującym linię prostą Y = AU + B; (1) D

U

GS

P

K

gdzie: Y =

I ; A = -

; B =

K .

D

U P

skąd można wyznaczyć współczynniki A, B równania liniowego (1), następnie parametr K, potem znając K i A można znaleźć UP.Ponieważ charakterystyki przejściowe mierzone są dla trzech wartości parametru należy wyznaczyć czynności te należy powtórzyć trzykrotnie. W

przypadku dużych różnic – wyjaśnić rozbieżności. Porównać wartości U wyznaczone na P

podstawie charakterystyk przejściowych z wartością zmierzoną oraz danymi katalogowymi i wyjaśnić ewentualne różnice.

4. Wyjaśnić jaki wpływ na otrzymane wyniki mógł mieć zastosowany układ pomiarowy.

Tranzystor złączowy – JFET

1. Połączyć układ pomiarowy według rys. 2. Należy zwrócić uwagę na właściwą polaryzację końcówek tranzystora. Tranzystor BF 245 to tranzystor złączowy z kanałem typu n.

Rys. 2. Schemat ogólny układu do pomiaru charakterystyk statycznych tranzystora JFET (a) i układ wyprowadzeń tranzystora BF245 (b).

W czasie pomiarów należy zwracać szczególną uwagę aby nie przekroczyć dopuszczalnej mocy admisyjnej tranzystora (iloczyn prądu drenu i napięcia dren - źródło w żadnym punkcie charakterystyk nie może przekroczyć 360 mW, oraz – niezależnie ID < IDmax, napięcia UDS i UGS mniejsze od dopuszczalnych).

2. Dokonać pomiaru napięcia odcięcia Up. Przyjąć, że przy ID =10µA kanał zostaje zamknięty. Pomiar wykonać dla trzech różnych wartości UDS z przedziału 1...10 V.

2

3. Zmierzyć charakterystyki wyjściowe I ( U ) dla trzech różnych wartości parametru U

D

DS

GS

z przedziału zmienności od +0,5V (-0,5V dla tranzystora z kanałem typu p) do Up. Napięcie UDS zmieniać od 0 do 15V, wykonać po 10-15 punktów pomiarowych na każdą krzywą.

Uważać na parametry graniczne tranzystora!

4. Zmierzyć charakterystykę przejściową ID ( UGS) dla wartości parametru: UDS = -1,1 Up,

-1,5 Up, -2 Up w zakresie zmienności UGS =0... Up. Należy wykonać po około 10pkt.

pomiarowych dla danej wartości parametru.

5. Zmierzyć prąd nasycenia drenu IDSS badanego tranzystora. Jest to wartość prądu drenu zmierzona przy UGS UGS =0 w punkcie UDS = - Up.

6. Zasilić tranzystor tak, aby pracował w pobliżu P = PDmax (w celu zwiększenia prądu drenu można spolaryzować złącze bramka-źródło w kierunku przewodzenia – nie przekraczając  U 

GS

=0,5V). Zaobserwować zachowanie prądu drenu. To samo powtórzyć

dla  U 

GS

=0,6... 0,8V. Nie przekraczać PDmax !

Opracowanie wyników pomiarów:

1. Narysować wszystkie zmierzone charakterystyki. Nanieść hiperbolę mocy, dopuszczalny prąd drenu i napięcie UDS .

2. Na podstawie charakterystyk przejściowych i wyjściowych obliczyć i narysować konduktancję wyjściową gDS funkcji napięcia wyjściowego: gDS ( UDS) oraz transkonduktancję gm w funkcji napięcia wejściowego: gm( UGS).

3. Wyznaczyć parametry IDSS , oraz Up z równania opisującego charakterystykę przejściową tranzystora unipolarnego złączowego pracującego w zakresie nasycenia:

UGS 2

−

I

= I

1

(

)

D

DSS

gdzie:

- I

U

D .......prąd drenu

P

- IDSS ...prąd nasycenia drenu

- UGS ...napięcie bramka-źródło

- Up .... napięcie progowe

Sposób postępowania jest analogiczny do opisanego w punkcie 3 opracowania wyników tranzystora MOS.

4. Wyjaśnić jaki wpływ na otrzymane wyniki mógł mieć zastosowany układ pomiarowy.

Wybrane parametry niektórych tranzystorów wykorzystywanych w ćwiczeniu: IDmax

PDmax

U









DSmax

IDSS

Tjmax [0C]

UP [V] RDS(on) [Ω]

[Adc]

[W]

[V]

[µA]

SMY50

0,025

0,225

31

20

150

3...6V

150

BSS 98

0,3

0,5

30

0,5

150

0,8-1,6

3.5

IRF 530

4

10

20

250

175

2-4

0,18

IRF 9530

3

10

20

250

150

2-4

0,3

MTD20N03

10

2

30

100

175

1,,,2

0,05

BF 245

0,03

0,25

20

2-25mA

125

0,4-7,5

---

3