Badanie tranzystora polowego.

1. Wprowadzenie.

Tranzystory unipolarne, nazywane też tranzystorami polowymi, stanowią grupę kilku rodzajów elementów, których wspólną cechą jest pośrednie oddziaływanie pola elektrycznego na rezystancję półprzewodnika lub na rezystancję cienkiej warstwy nie przewodzącej. Teoretycznie sterowanie pracą tranzystora unipolarnego może odbywać się bez poboru mocy. w działaniu elementu bierze udział tylko jeden rodzaj nośników ładunku, stąd nazwa unipolarny .

Do grupy tranzystorów unipolarnych należą:

• Tranzystory polowe złączowe w skrócie określane jako JFET lub prościej FET (ang. Field Effect Transistor), ze złączem PN (PNFET) lub ze złączem metal-półprzewodnik MESFET (ang. Metal Semiconductor Field-Effect Transistor ).

• 
  Tranzystory polowe z izolowaną bramką IGFET (ang. lnsulated Gate Field Effect Transistor), z których najczęściej wykorzystuje się struktury rnetal-tlenek-półprzewodnik nazywane MOS (ang. Metal Oxide Semiconductor), MOSFET (ang. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) lub MIS (ang. Metal Insulator Semiconductor).

• Tranzystory polowe cienkowarstwowe TFT ang. (Thin Film Transistor).

2. 
   Budowa tranzystora polowego.

Tranzystor unipolarny złączowy składa się zasadniczo z warstwy półprzewodnika typu N (w tranzystorach z kanałem typu N) lub półprzewodnika typu p (w tranzystorach z kanałem typu P). Warstwa ta tworzy kanał. Do obu końców kanału są dołączone elektrody. W obszar kanału wdyfundowuje się domieszki, dające obszary przeciwnego typu niż kanał, a więc dla kanału typu N domieszki akceptorowe, dające obszary P + (rys. 1.1a), natomiast dla kanału typu P domieszki donorowe, dające obszary N + . Wyprowadzenia zewnętrzne tych obszarów nazywa się bramką. Między kanałem i bramką tworzy się złącze PN.

Tranzystor unipolarny JFET ma zatem trzy elektrody.

• Źródło, oznaczone literą S (ang. Source), jest elektrodą, z której wpływają nośniki ładunku do kanału. Prąd źródła oznacza się jako I_S.

• Dren, oznaczony literą D (ang. Drain), jest elektrodą, do której dochodzą nośniki ładunku. Prąd drenu oznacza się jako ID, a napięcie dren-źródło jako U_DS.

• Bramka, oznaczona literą G (ang. Gate), jest elektrodą sterującą przepływem ładunków. Prąd bramki oznacza się jako I_G, a napięcie bramka - źródło jako U_GS .

Źródło i dren tranzystora unipolarnego są spolaryzowane tak, aby umożliwić przepływ nośników większościowych przez kanał w kierunku od źródła do drenu (rys. 2.59). w tranzystorze z kanałem typu P od źródła do drenu przepływają dziury , w tranzystorze z kanałem typu N od źródła do drenu przepływają elektrony. Złącze bramka-kanał w obu typach tranzystorów powinno być spolaryzowane w kierunku wstecznym. Jak wiadomo, w pobliżu złącza PN powstaje warstwa zaporowa, nazywana też obszarem ładunku przestrzennego, pozbawiona nośników ruchomych. Ze względu na niejednakowe domieszkowanie warstwa ta wnika głębiej w obszar kanału niż w obszar bramki. Warstwa zaporowa ma dużą rezystancję, powoduje więc zmniejszenie czynnego przekroju kanału, przez który przepływa prąd. Wraz ze wzrostem polaryzacji złącza PN w kierunku wstecznym (zwiększaniem napięcia U_GS) rozszerza się warstwa zaporowa, czyli zwiększa głębokość jej wnikania w kanał. Zatem dla ustalonego napięcia dren-źródło, rezystancja kanału, a więc i prąd drenu, będzie funkcją napięcia bramka-źródło. Sterowanie przepływem prądu w tranzystorze unipolarnym zachodzi wskutek zmian pola elektrycznego, co jest nazywane efektem polowym.

Tranzystory unipolarne charakteryzuje się parametrami dla dużych wartości sygnałów, nazywanych parametrami statycznymi i dla małych wartości sygnałów, nazywanych parametrami dynamicznymi.

Właściwości statyczne tranzystora unipolarnego opisują rodziny charakterystyk przejściowych i wyjściowych.

• Charakterystyki przejściowe (bramkowe) przedstawiają zależność prądu drenu I_D od napięcia bramka-źródło U_GS, przy ustalonej wartości napięcia dren-źródło U_DS.

Wielkościami charakterystycznymi krzywych są:

1. Napięcie odcięcia bramka-źródło U_GS(OFF), tj. napięcie, jakie należy doprowadzić do bramki, aby przy ustalonym napięciu U_DS nie płynął prąd drenu. Praktycznie przyjmuje się, że przy napięciu U_GS(OFF) prąd drenu nie przekracza określonej wartości (najczęściej 1 lub 10 μA).

2. Prąd nasycenia I_DSS, tj. prąd drenu płynący przy napięciu U_GS = 0 i określonym napięciem U_DS.

Typowe wartości napięć U_GS(OFF) wynoszą od kilku do kilkunastu woltów, a wartości prądów I_DSS od kilku do kilkudziesięciu μA.

Charakterystyki przejściowe zależą od temperatury. Krzywe przy różnych wartościach temperatury przecinają się jednak w jednym punkcie A o współrzędnych U_GSZ i I_DSZ., Przy napięciach bramki większych niż U_GSZ prąd drenu ze wzrostem temperatury wzrasta (dodatni współczynnik temperaturowy), a przy napięciach mniejszych maleje (ujemny współczynnik temperaturowy). W punkcie A współczynnik temperaturowy prądu drenu jest równy zeru. Możliwość doboru tego punktu jako punktu pracy jest jedną z zalet tranzystorów unipolarnych.

• Charakterystyki wyjściowe (drenowe) przedstawiają zależność między prądem drenu I_D i napięciem dren-źródło U_DS, przy napięciu bramka-źródło U_GS jako parametrze (rys. 2.60b).

Wyróżnia się trzy zasadnicze zakresy tych charakterystyk:

1. W zakresie liniowym (triodowym), tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor półprzewodnikowy. Prąd I_D ze wzrostem napięcia U_DS wzrasta w przybliżeniu liniowo.

2. W zakresie nasycenia, nazywanym też zakresem pentodowym, napięcie U_DS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu, natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące. Napięcie, przy którym rozpoczyna się zakres nasycenia, oznacza się przez U_DSAT. Przy pracy tranzystora unipolarnego w układzie wzmacniacza prawie zawsze punkt pracy znajduje się w obszarze nasycenia.

3. Z zakresu powielania Lawinowego w normalnej pracy nie korzysta się ze względu na możliwość trwałego uszkodzenia tranzystora.

• O właściwościach statycznych tranzystorów unipolarnych świadczą również parametry statyczne, takie jak:

• prąd wyłączenia I_D(OFF), tj. prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem U_GS>U_GS(OFF);

• rezystancja statyczna włączenia R_DS(ON), tj. rezystancja między drenem a źródłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki I_D = f(U_DS) przy U_GS = 0;

• rezystancja statyczna wyłączenia R_DS(OFF), tj. rezystancja między drenem a źródłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia, tzn. U_GS>U_GS(OFF) ;

• prądy upływu.

• Ważną rolę odgrywają także parametry graniczne, których nie należy przekraczać. Najważniejsze parametry graniczne to:

• dopuszczalny prąd drenu I_DMAX (typowe wartości wynoszą od kilku do kilkudziesięciu miliamperów );

• dopuszczalny prąd bramki I_GMAX;

• dopuszczalne napięcie dren-źródło U_DSMAX (typowe wartości - od kilkunastu do kilkudziesięciu woltów) lub bramka-źródło U_GSMAX;

• dopuszczalne straty mocy P_TOTMAX ~ P_DMAX (typowe wartości - od kilkudziesięciu do kilkuset miliwoltów).

3. 
   
   Budowa tranzystora złączowego.

W ostatnich latach coraz powszechniej stosuje się tranzystory unipolarne, w których bramka jest oddzielona od kanału cienką warstwą izolacyjną, najczęściej utworzoną z dwutlenku krzemu SiO2. Noszą one nazwę tranzystorów MOS i MOSFET . Dzięki odizolowaniu bramki, niezależnie od jej polaryzacji, teoretycznie nie płynie przez nie żaden prąd. Praktycznie w tranzystorach JFET prądy bramki są rzędu 1pA ÷ 10nA, a w tranzystorach MOSFET ok. 103 razy mniejsze. Dlatego w przypadku tych pierwszych można uzyskać rezystancją wejściową układu 10⁹÷10¹²Ω, a w przypadku drugich 10¹² ÷ 10¹⁶Ω.

Tranzystory MOSFET mogą mieć wdyfundowany lub nałożony epitaksjalnie kanał między źródłem i drenem - tranzystory z kanałem wbudowanym, lub mogą być wykonywane bez przewodzącego kanału - tranzystory z kanałem indukowanym.

W tranzystorach z kanałem wbudowanym przy napięciu U_GS = 0 płynie pewien prąd, podobnie jak w tranzystorach JFET , zmniejszający się przy zwiększaniu napięcia sterującego bramki. Dlatego nazywa się je tranzystorami normalnie załączonymi lub pracującymi na zasadzie zubożania nośników w kanale (tranzystory z kanałem zubożanym).

W tranzystorach z kanałem indukowanym, gdy do bramki doprowadzi się napięcie ujemne w stosunku do podłoża (dla tranzystora z kanałem N), wówczas źródło zostaje oddzielone od drenu dwoma przeciwnie spolaryzowanymi złączami PN. Jest to tzw. stan akumulacji. Prąd źródło-dren stanowi wtedy prąd wsteczny jednego ze złączy. Ma on znikomo małą wartość. Mały prąd płynie także przy U_GS = 0. Dlatego tranzystory te są nazywane tranzystorami normalnie wyłączonymi.

Gdy do bramki doprowadzi się napięcie dodatnie w stosunku do podłoża, wówczas po przekroczeniu pewnej jego wartości, tzw. napięcia progowego U_T, przy powierzchni półprzewodnika powstaje warstwa przeciwnego typu niż półprzewodnik stanowiący podłoże. Jest to warstwa inwersyjna. Warstwa ta stanowi zaindukowany kanał, który po doprowadzeniu napięcia polaryzującego źródło-dren umożliwia przepływ prądu od źródła do drenu. Ze wzrostem napięcia U_GS prąd drenu wzrasta, dlatego tranzystory te są nazywane również tranzystorami z kanałem wzbogacanym.

Zarówno tranzystory z kanałem zubożanym, jak i z kanałem wzbogacanym mogą mieć kanały typu N lub kanały typu P. Istnieją zatem cztery podstawowe rodzaje tranzystorów z izolowaną bramką.

Między tranzystorami z kanałem zubożanym i z kanałem wzbogacanym istnieje jeszcze wiele typów pośrednich.

4. Zalety tranzystorów unipolarnych.

• duża rezystancja wejściowa,

• małe szumy w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi (w zakresie małych i średnich częstotliwości),

• możliwość autokompensacji temperaturowej,

• odporność na promieniowanie,

• małe wymiary powodują, że są one coraz powszechniej stosowane w układach analogowych i cyfrowych. Szczególną dynamiką wykazuje produkcja cyfrowych układów scalonych o dużej i bardzo dużej skali integracji z tranzystorami MOS (tzw. układy MOS/LSI i MOS/VLSI).

5. 
   
   
   
   Schemat układu pomiarowego.

6. Wnioski.

W ćwiczeniu tym dokonywaliśmy badania tranzystora unipolarnego BF245. Na początku należało wykreślić krzywą mocy admisyjnej P_TOT. Przy wykreślaniu tej krzywej korzystaliśmy z podanego wzoru I = P_tot / U. Z danych katalogowych wiadomo że P_tot=360mW. Następnie dokonywaliśmy pomiaru prądu drenu I_D dla zadanych wartości U_DS (0V ÷ 18V) dla stałych wartości U_GS (-0,4; -0,5; -0,6; -0,7; -0,75; -0,95; -1,15;). Z pomiarów tych wykreśliliśmy charakterystykę wyjściową I_D=f(U_DS) przy U_GS = const. Z narysowanej charakterystyki można zauważyć że im większe napięcie bramka-źródło U_GS, tym większy jest prąd drenu I_D. W następnej kolejności dokonywaliśmy pomiaru prądu drenu I_D przy U_GS (0V ÷ 2,5V) i zadanych, stałych wartości U_DS (3,1; 7,4; 12,2;). Następnie z dokonanych pomiarów wykreśliliśmy charakterystykę przejściową I_D=f(U_GS) przy U_DS = const. Z tej charakterystyki można wywnioskować że przy wzroście napięcia U_DS nie wzrasta ani maleje prąd I_D. Wzrost tego prądu zależy od temperatury.

7. Krzywa mocy admisyjnej P_tot.

U [V]	ID [mA]	Ptot [mW]
1	360	360
2	180
3	120
4	90
5	72
6	60
7	51,42
8	45
9	40
10	36
11	32,72
12	30
13	27.69
14	25.71
15	24
16	22,5
17	21,17
18	20
19	18.94
20	18

8. Badanie tranzystora unipolarnego - Ch - ka wyjściowa I_D=f(U_DS).

UDS [V]	UGS=-0,4	UGS=-0,5	UGS=-0,6	UGS=-0,7	UGS=-0,75	UGS=-0,95	UGS=-1,15
	ID [mA]	ID [mA]	ID [mA]	ID [mA]	ID [mA]	ID [mA]	ID [mA]
0	0	0	0	0	0	0	0
0,1	0,32	0,32	0,31	0,27	0,28	0,26	0,21
0,2	0,68	0,61	0,59	0,56	0,53	0,47	0,42
0,3	0,95	0,88	0,84	0,81	0,75	0,67	0,57
0,4	1,22	1,15	1,1	1,02	1,00	0,88	0,78
0,5	1,48	1,41	1,32	1,26	1,18	1,07	0,93
0,75	2,08	1,96	1,84	1,73	1,68	1,44	1,25
1,0	2,58	2,43	2,27	2,13	2,05	1,76	1,49
1,25	2,98	2,79	2,62	2,44	2,34	1,99	1,63
1,50	3,31	3,08	2,86	2,66	2,55	2,13	1,73
1,75	3,54	3,28	3.05	2,81	2,70	2,23	1,80
2,0	3,72	3,43	3,19	2,92	2,80	2,29	1,84
2,5	3,93	3,61	3,32	3,04	2,91	2,37	1,89
3,0	4,03	3,70	3,40	3,10	2,97	2,41	1,91
4,0	4,13	3,77	3,48	3,17	3,03	2,46	1,95
5,0	4,17	3,82	3,51	3,20	3,06	2,48	1,97
8,0	4,22	3,86	3,55	3,25	3,11	2,53	2,0
10,0	4,27	3,86	3,56	3,26	3,12	2,54	2,01
15,0	4,19	3,87	3,57	3,26	3,14	2,54	2,01
18,0	4,17	3,87	3,57	3,26	3,15	2,56	2,02

9. Ch - ka przejściowa I_D=f(U_GS)

UGS [V]	ID[mA] UDS = 3,1	ID[mA] UDS = 7,4	ID[mA] UDS = 12,2
0,1	4,99	5,3	5,26
0,2	4,66	4,84	4,87
0,3	4,25	4,52	4,50
0,4	4,01	4,16	4,14
0,5	3,71	3,80	3,81
0,6	3,39	3,51	3,53
0,7	3,09	3,23	3,21
0,8	1,83	2,94	2,95
0,9	2,55	2,65	2,66
1,0	2,28	2,38	2,40
1,1	2,02	2,12	2,12
1,2	1,78	1,88	1,89
1,3	1,57	1,62	1,65
1,4	1,37	1,41	1,42
1,5	1,16	1,19	1,23
1,6	0,96	0,98	1,02
1,7	0,77	0,82	0,84
1,8	0,63	0,66	0,67
1,9	0,46	0,50	0,52
2,0	0,35	0,37	0,38
2,1	0,24	0,25	0,26
2,2	0,14	0,15	0,16
2,3	0,07	0,09	0,09
2,4	0,03	0,04	0,04
2,5	0,01	0,01	0,01

Tranzystor unipolarny złączowy:

a)uproszczona budowa

b)profil ładunku przestzrennego.

G-bramka, S -źródło, D-dren

Polaryzacja tranzystorów unipolarnych złączowych:

1. z kanałem typu N

2. z kanałem typu P

Budowa tranzystora MOSFET z kanałem typu N:

1. wbudowanym

2. indukowanym

V

mA

V

---