INSTYTUT PODSTAWOWYCH PROBLEMÓW ELEKTROTECHNIKI I ENERGOELEKTRONIKI

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ W GLIWICACH

LABORATORIUM Z ELEKTRONIKI

TEMAT: Tranzystor bipolarny i unipolarny.

Opracował :

Joanna Kołodziej

Sebastian Herok

Marzena Kłosowska

1. Wstęp.

Celem ćwiczenia jest ugruntowanie wiadomości dotyczących zasad działania i własności tranzystorów unipolarnych ze złączem p-n (JFET).

Zasadnicza część ćwiczenia poświęcona jest zdejmowaniu charakterystyk statycznych tranzystora unipolarnego. Wyniki pomiarów są podstawą do wykreślenia wspomnianych charakterystyk oraz wyznaczenia w zadanym punkcie pracy tranzystora, wartości parametrów małosygnałowego, małoczęstotliwościowego modelu zastępczego.

2. Tranzystor bipolarny

Podstawowe wiadomości o tranzystorze bipolarnym

Tranzystorem bipolarnym nazywamy element półprzewodnikowy posiadający zdolność wzmacniania sygnałów prądu stałego i zmiennego. Posiada on dwie podstawowe struktury p-n-p i n-p-n, w których działaniu istotną rolę odgrywają jednocześnie oba rodzaje nośników prądu, tj. dziury i elektrony. Tranzystor bipolarny jest strukturą złożoną z trzech podsta­wowych warstw nazywanych emiterem E, bazę B i kolektorem C. Obszary graniczne tych warstw tworzą złącza p-n, z których złącze baza - kolektor jest spolaryzowane zaporowo i spełnia rolę sterowanego źródła prądowego, przez które płynie prąd nośników mniej­szościowych. Natomiast złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia i spełnia rolę układu sterującego źródłem prądowym poprzez kontrolowane wstrzykiwanie nośników mniejszościowych w obszar bazy. Tak więc emiter jest warstwą dostarczającą nośników mniejszościowych do bazy, z której są one zbierane do obszaru kolektora.

Jak już wspomniano, tranzystor jest elementem wzmacniającym przy polaryzacji E-B w kierunku przewodzenia, a złącza B-C w kierunku zaporowym. W ogólnym przypadku tranzystor może pracować również przy innych warunkach polaryzacji, określających cztery podstawowe zakresy pracy tranzystora:

• zakres aktywny normalny (N)

złącze E-B spolaryzowane w kierunku przewodzenia

złącze B-C spolaryzowane w kierunku zaporowym

• zakres nasycenia

złącze E-B i złącze B-C spolaryzowane w kierunku przewodzenia

• zakres odcięcia (zablokowania)

złącze E-B i złącze B-C spolaryzowane w kierunku zaporowym

• zakres aktywny inwersyjny (I)

złącze E-B spolaryzowane w kierunku zaporowym złącze B-C spolaryzowane w kierunku przewodzenia.

Rys 1. Układy włączenia (pracy) tranzystora a)OB b) OE c) OC

3. Tranzystory unipolarne MOSFET

Unipolarne (polowe) tranzystory mocy MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) pojawiły się w roku 1978. Ogólna koncepcja budowy i działania tranzystora MOSFET mocy i konwencjonalnego słaboprądowego jest taka sama, różnice występują natomiast w konstrukcji. W tranzystorze unipolarnym MOSFET, podobnie jak w tranzystorze bipolarnym, wykorzystuje się dwa rodzaje półprzewodni­ka, który tworzy trzy warstwy n-p-n lub p-n-p. Oprócz dwóch elektrod głównych źródła (Source - S) i drenu (Drain - D) oraz elektrody sterującej - bramki (Gate - G), stano­wiących odpowiedniki emitera, kolektora i bazy, tranzystor polowy posiada jeszcze jedną elektrodę zwaną podłożem (Base - B), która służy do wstępnej polaryzacji tranzystora. W tranzystorach mocy podłoże jest zazwyczaj już wewnątrz przyrządu zwarte ze źródłem, tak że na zewnątrz są wyprowadzone tylko trzy końcówki. Z kolei elektroda sterująca - bramka (G) nie ma galwanicznego połączenia ze środkową warstwą półprzewodnika (tak jak to jest zrobione w tranzystorach BJT), lecz jest oddzielona od podłoża warstwą izolacyjną wykonaną z tlenku krzemu.

Bramka tranzystora MOSFET jest izolowana od pozostałych elektrod, pobór gradu jest więc znikomy, a wzmocnienie mocy (teoretycznie) nieskończenie duże. W typo­wych MOSFET-ach mocy maksymalne napięcie obwodu bramka-źródło U_GSm wynosi najczęściej około +20V. Przekroczenie tego napięcia może spowodować uszkodze­nie izolacji tlenkowej, a w efekcie uszkodzenie tranzystora. Trzeba więc o tym pa­miętać przy projektowaniu i konstrukcji obwodów sterowania tranzystorów MOSFET. Ze względu na bardzo dużą impedancję wejściową tranzystorów MOSFET istnieje również możliwość ich uszkodzenia przy montażu pod wpływem niewielkich statycz­nych ładunków elektrycznych. Ładunki takie mogą się pojawić w wyniku dotknięcia, a nawet indukcji elektrostatycznej. Pojemność obwodu bramka-podłoże jest bardzo mała. Z zależności: U = Q / C wynika, że pojawienie się nawet niewielkich ładunków elektrycznych może spowodować wzrost napięcia bramki powyżej wartości dopuszczalnej, a w wyniku nieodwracalne uszkodzenie izolacji bramki i całego tranzystora.

4. Opis układu pomiarowego.

Podstawę układu pomiarowego stanowi panel, na którym znajdują się dwa regulowane dzielniki napięcia służące do ustalenia odpowiednich warunków zasilania tranzystora.

Rys. 2. Schemat układu do zdejmowania charakterystyk statycznych tranzystora unipolarnego ( JFET ) z kanałem typu „n”.

3. Przebieg ćwiczenia.

Pomiar napięcia odcięcia.

W ćwiczeniu tym wykorzystując tranzystor unipolarny BF245 stopniowo zwiększaliśmy napięcie między bramką a źródłem od zera wzwyż obserwując wartość prądu I_D. Zwiększając napięcie U_GS zaobserwowaliśmy przy wartości U_GS równej ok. 5 [V] gwałtowny wzrost prądu drenu co wskazywało na osiągnięcie wartości napięcia odcięcia.

Pomiar charakterystyk statycznych tranzystora.

• pomiar charakterystyk wyjściowych I_D = f(U_DS) dla 3 wartości U_GS = const.

Podczas wyznaczania charakterystyk wyjściowych utrzymuje się stałą wartość napięcia U_GS, a zmienia się napięcie U_DS, i odczytuje wartość tego napięcia i wartość prądu drenu I_D

U_GS = 1 V

Lp	ID [mA]	UDS [V]	Lp	ID [mA]	UDS [V]
1	0,46	0,07	7	4,52	1,31
2	1,3	0,2	8	5,34	1,74
3	1,65	0,36	9	6,19	2,42
4	2,62	0,63	10	7	4,32
5	3,3	0,84	11	7,4	15
6	4	1,1

U_GS = 2 V

Lp	ID [mA]	UDS [V]	Lp	ID [mA]	UDS [V]
1	0,62	0,17	8	3,44	1,92
2	1,19	0,38	9	3,5	2
3	1,43	0,5	10	3,94	4
4	1,82	0,65	11	4,07	6
5	2,32	1,09	12	4,13	8
6	2,63	1,1	13	4,23	12
7	3,0	1,38

U_GS = 3.57 V

Lp	ID [mA]	UDS [V]
1	0,33	0,25
2	0,58	0,83
3	0,69	2
4	0,73	3
5	0,81	7,33
6	0,91	15,13

Charakterystyka ta obrazuje znaczenie przyłożonego napięcia do zacisków bramka-źródło. Im większa wartość napięcia U_GS tym prąd drenu osiąga większą wartość. Natomiast w miarę wzrostu napięcia U_DS obserwójemy na początku gwałtowny wzrost prądu drenu do pewnej wartości a następnie prąd przestaje rosnąć i utrzymuje sie na pewnej wartości niezależnie od wzrostu napięcia U_DS.

- pomiar charakterystyk przejściowych I_D = f (U_GS) dla 4 wartości U_DS = const.

Podczas wyznaczania charakterystyk przejściowych utrzymuje się stałą wartość napięcia U_DS i odczytuje wartość tego napięcia oraz wartość prądu drenu I_D.

U_DS =2 V

Lp	ID [mA]	UGS [V]	Lp	ID [mA]	UGS [V]
1	8,33	0,1	7	1,51	3
2	7,71	0,25	8	0,76	3,52
3	6,33	0,9	9	0,3	3,81
4	4,9	1,53	10	0,2	4
5	3,41	2,16	11	0	4,4
6	2,52	2,47

U_DS = 5 V

Lp	ID [mA]	UGS [V]	Lp	ID [mA]	UGS [V]
1	11	0,1	6	5,0	1,77
2	10	0,25	7	3,67	2,2
3	9,11	0,48	8	2,47	2,72
4	7,91	0,8	9	0,59	3,7
5	6,3	1,37	10	0	4,37

U_DS = 10 V

Lp	ID [mA]	UGS [V]	Lp	ID [mA]	UGS [V]
1	11	0	6	3	2,5
2	10	0,3	7	1,6	3
3	8	0,8	8	0,75	3,6
4	6	1,41	9	0,33	3,96
5	4,5	1,9	10	0	4,4

U_DS = 15 V

Lp	ID [mA]	UGS [V]	Lp	ID [mA]	UGS [V]
1	11,2	0	7	2,69	2,6
2	10,5	0,2	8	1,5	3,24
3	8	0,8	9	0,84	3,5
4	6,6	1,23	10	0,21	4,04
5	5	1,77	11	0	4,4

U_GS = 1V

U_GS = 2 V

U_GS = 3,57 V

---