AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA W KRAKOWIE			Rafał Szemraj Paweł Straszak Paweł Komsa
EAIiE	2001/2002		Rok II Semestr IV	Elektrotechnika		Rok B Grupa 8
Temat: Badanie charakterystyk tranzystora unipolarnego JFET z kanałem typu n.
Data wykonania: 2002-03-06		Data zaliczenia:			Ocena:

1. Wstęp teoretyczny.

Tranzystory polowe tak jak tranzystory bipolarne są elementami półprzewodnikowymi trójelektrodowymi, z tą różnicą, że w przypadku tranzystorów unipolarnych w procesie przewodzenia biorą udział tylko ładunki jednego typu (elektrony lub dziury w zależności od rodzaju tranzystora). Istotnym jest też fakt, że sterowanie przepływem odbywa się za pomocą pola elektrycznego co powoduje, że na wejściu tranzystora nie jest pobierana moc. Tranzystory unipolarne możemy podzielić na kilka grup:

Ze względu na rodzaj przewodzenia:

• Z kanałem typu n

• Z kanałem typu p

Ze względu na wykonanie:

• Tranzystory złączowe (JFET) - z izolowaną bramką

• Tranzystory MOSFET (Metal-On-Semiconductor) - specjalna konstrukcja bramki

Tranzystory unipolarne MOSFET dzieli się też ze względu na ich zachowanie przy wysterowaniu zerowym napięciem bramka-źródło (brak sterującego pola elektrycznego). I tak tranzystor przewodzący w tym przypadku prąd nazywamy tranzystorem z kanałem zubożonym, a ten, który w tej sytuacji prądu nie przewodzi - z kanałem zubożonym.

Symbole tranzystorów unipolarnych (od góry):

• JFET kanał typu n i p

• MOSFET n i p

• k. Zubożany

• k. wzbogacony

Dalszą analizę działania tranzystora oprę na przykładzie tranzystora unipolarnego JFET z kanałem typu n, który był przedmiotem badań na laboratorium.

Jak widać na rysunku elektrody drenu i źródła są dołączone do półprzewodnika typu n a złącze pn występuje pomiędzy kanałem a elektrodą bramki. Przepływ prądu tranzystora polega na ruchu elektronów (nośników większościowych półprzewodnika typu n) między źródłem a drenem po załączenia między te elektrody napięcia. Jeżeli między bramkę a źródło załączymy napięcie w ten sposób, że potencjał bramki będzie niższy to złącze pn zostanie spolaryzowane w kierunku zaporowym i kanał zwęży się ograniczając przepływ prądu (tak jak na rysunku poniżej)

Jeżeli zwiększymy wartość napięcia U_GS do wartości tzw. napięcia odcięcia, wtedy rezystancja tranzystora będzie na tyle duża, że nie popłynie żaden prąd.

Zobaczmy co się będzie działo przy zwiększaniu napięcia U_DS przy zerowej wartości napięcia U_GS:

Jak widzimy warstwa zaporowa po stronie drenu znacznie się rozszerza co spowodowane jest tym, że złącze wzdłuż kanału jest polaryzowane różnymi napięciami (od strony źródła U_GS = 0 a od strony drenu U_GD < 0). Prowadzi to do tego, że przy zwiększaniu napięcia dren-źródło dochodzimy do takiej wartości, przy której zmiana tego napięcia na wyższe nie powoduje wzrostu prądu drenu. Takie napięcie nazywamy napięciem nasycenia tranzystora.

2. Wykonanie ćwiczenia:

Schemat pomiarowy z tranzystorem JFET z kanałem typu n

Pomiar napięcia nasycenia tranzystora i wyznaczenie charakterystyk wyjściowych I_D = f(U_DS) przy stałym napięciu U_GS:

UDS	ID	UDS	ID	UDS	ID
V	mA	V	mA	V	MA
UGS = 0		UGS = -0,5 V		UGS = -1,5 V
0,2	0,82	0,2	0,6	0,2	0,16
0,4	1,6	0,4	1,16	0,39	0,22
0,6	2,24	0,59	1,6	0,63	0,26
0,8	2,8	0,79	1,96	0,81	0,28
1	3,28	1	2,24	1,01	0,3
1,21	3,66	1,21	2,44	1,2	0,3
1,43	3,96	1,4	2,58	1,48	0,33
1,66	4,24	1,6	2,68	1,62	0,33
1,82	4,36	1,8	2,78	1,78	0,34
2	4,48	2	2,8	2	0,34
2,52	4,68	2,49	2,88	2,5	0,36
2,95	4,78	3,1	2,96	3	0,36
3,45	4,84	3,59	3	3,5	0,38
8,98	4,98	4	3,02	5	0,4
10,17	4,98	4,98	3,06	7,55	0,42
11	5	5,53	3,08	14	0,46
11,96	5	10,64	3,16	-	-
-	-	12,22	3,16	-	-

Interpretacja wyników:

Widzimy, że dla zerowej wartości napięcia U_GS dla napięcia U_DS = 0,2 V prąd drenu ma wartość ok. 0,82 mA. Przy zwiększaniu potencjału źródła względem bramki o 0,5 i 1,5 V powoduje spadek tego prądu do odpowiednio 0,6 i 0,16 mA. Widzimy więc, że zwiększanie modułu napięcia U_GS powoduje zmniejszenie wartości prądu drenu. Przyjrzyjmy się wartości napięcia nasycenia U_DSsat dla różnych wartości U_GS. Dla zerowej wartości wynosi ono ok. 9V przy wzroście obniża się odpowiednio do ok. 4V a dla napięcia U_GS = -1,5 V prąd drenu nie zmienia się już dla napięcia U_DS ≈ 1V.

Jeżeli przyjrzymy się kształtom charakterystyk to zauważymy, że dla małych wartości U_GS charakterystyka jest bardziej stroma.

Pomiar charakterystyk przejściowych:

UGS	ID	UGS	ID	UGS	ID
V	mA	V	mA	V	MA
UDS = 1,5		UDS = 2 V		UDS = 3 V
0	4,08	0	4,5	0	4,78
- 0,5	2,66	- 0,5	2,76	- 0,25	3,86
- 0,76	1,96	- 0,75	2,08	- 0,5	2,94
- 0,99	1,34	- 0,99	1,4	- 0,75	2,18
- 1,26	0,77	- 1,25	0,8	- 0,99	1,48
- 1,5	0,32	- 1,51	0,32	- 1,26	0,82
- 1,76	0,06	- 1,76	0,04	- 1,5	0,36
- 1,99	0,0008	- 1,99	0,001	- 1,75	0,06
-	-	-	-	- 1,99	0,002

Z obserwacji otrzymanych wyników wnioskujemy, że dla badanego tranzystora wartość napięcia odcięcia U_GS ≈ 2 V. Dla danego napięcia U_GS (mniejszego co do modułu od napięcia odcięcia) dla wyższego napięcia U_DS płynie większy prąd drenu.

Widzimy, że charakterystyki zbiegają się prawie w jednym punkcie na osi napięcia więc wnioskujemy o jednej wartości napięcia odcięcia w całym zakresie U_DS.

Wyznaczanie parametrów małosygnałowego, małoczęstotliwościowego modelu tranzystora:

,

Dla naszego tranzystora i punktu pracy

,

Dla naszego tranzystora i punktu pracy

Obliczam współczynnik amplifikacji ze wzoru:

Dla naszego tranzystora i punktu pracy

3. Wnioski:

• Nasze pomiary i wykresy na ich podstawię potwierdzają teoretyczną analizę tranzystora unipolarnego JFET z kanałem typu n.

• W celu wyznaczenia wartości parametru g₁₁ należało by dokonać pomiaru wartości U_gs i prądu bramki przy stałej wartości napięcia dren - źródło.

• Parametr g₁₂ (transkonduktancja wejście - wyjście) jest w przybliżeniu równa zro ponieważ prąd bramki jest prądem zaporowo spolaryzowanego złącza pn.

---