|
Wydział Elektroniki Politechniki Wrocławskiej
|
Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych
|
||
Wykonał
|
Grupa - |
Ćw. nr 8 |
Prowadzący
|
|
Badanie tranzystorów unipolarnych typu JFET i IGFET
|
Data wykonania
|
Data oddania
|
Ocena
|
WYKAZ PRZYRZĄDÓW :
Zasilacz napięciowy z narostem napięcia ZLS-3
Zasilacz napięciowy P317
Multimetr cyfrowy 1321
Rejestrator XY
Tranzystor unipolarny złączowy z kanałem n - BF 245:
UGDmax (UGSmax) = 30 V
UDSmax = ± 30 V
IGmax = 10 mA
Pmax = 360 mW
UP = 0,5 - 8 V przy UDS = 10V i ID = 10 nA
Tranzystor unipolarny z izolowaną bramką normalnie wyłączony z kanałem n - IRF 520:
UGSmax = 40 V
UDSmax = 100 V
IDSmax = 8 A
Pmax = 1 W
PRZEBIEG ĆWICZENIA :
1. Pomiar charakterystyki wyjściowej tranzystora unipolarnego złączowego BF 245
R1 = 1 k
R2 = 10
Rys. 1. Schemat do wyznaczania charakterystyki wyjściowej tranzystora unipolarnego PNFET
Charakterystyka wyjściowa określa zależność
. Wartości napięć UGS, przy których wyznaczano charakterystyki wyjściowe, zamieszczono w tabeli:
Lp. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
-UGS [ V ] |
0,000 |
0,527 |
1,398 |
1,708 |
2,152 |
3,050 |
Charakterystykę wyjściową tranzystora BF 245 zamieszczono na wykresie 1. Napięcie UDS jest określone czułością 1V/cm, natomiast prąd drenu jest mierzony pośrednio jako spadek napięcia na rezystorze 10 . Ponieważ napięcie na tym rezystorze jest określone czułością 5 mV/cm, to prąd drenu będzie określony czułością 5/10 mV/cm = 0,5 mA/cm.
Na podstawie rodziny charakterystyk wyjściowych można określić wartość konduktancji wyjściowej gds., z prostoliniowego odcinka charakterystyki (dla małych UDS) wartość konduktancji otwartego kanału GKO oraz transkonduktancję gm (wyznacza się ją głównie z charakterystyki przejściowej).
Rys. 2. Sposób wyznaczania parametrów gm, gds, GKO.
Konduktancja wyjściowa gds wyznaczona na podstawie charakterystyki wyjściowej z zakresu nasycenia (patrz rys. 2):
Konduktancja kanału otwartego wyznaczona na podstawie charakterystyki wyjściowej z zakresu liniowego dla małych napięć UDS:
.
Transkonduktancja gm wyznaczona na podstawie charakterystyki wyjściowej:
Obliczenia:
W celu wyznaczenia konduktancji otwartego kanału przyjmujemy: ID2 = 4,0mA; ID1 = 1,5mA; UDS2 = 1,3V; UDS1 = 0,5V; UGS = 0Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:
Czyli ostatecznie GKO = 3,125⋅10-3 S przy UGS = 0V.
W celu wyznaczenia konduktancji wyjściowej gds przyjmujemy: ID2` = 7,3 mA; ID1` = 7,2 mA; UDS2` = 10 V; UDS1` = 7 V; UGS = 0Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:
Czyli ostatecznie gds = 3,333⋅10-5 S przy UGS = 0V.
W celu wyznaczenia transkonduktancji gm przyjmujemy: ID2” = 3,75mA; ID1” =1,8 mA; UGS2” =-1,398 V; UGS1” =-2,152 V; UDS = 5Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:
Czyli ostatecznie gm = 2,586⋅10-3 S przy UDS = 5V.
Na podstawie charakterystyki wyjściowej wyznaczyć charakterystykę przejściową
. Wyznaczoną w ten sposób charakterystykę przejściową zamieszczono na wykresie 5. Punkty pomiarowe są wyznaczone z wykresu 1 opisującego zależność ID = f(UDS), lecz nie są one na nim zaznaczane ze względu na przejrzystość i czytelność charakterystyki wyjściowej, zamieszczono je w poniższej tabeli:
|
UDS = 4V |
UDS = 6V |
UDS = 8V |
UGS |
ID |
ID |
ID |
[mV] |
[mA] |
[mA] |
[mA] |
0 |
6,800 |
7,130 |
7,225 |
-0,527 |
6,450 |
6,720 |
6,820 |
-1,398 |
3,650 |
3,760 |
3,850 |
-1,708 |
2,850 |
2,950 |
3,020 |
-2,152 |
1,780 |
1,820 |
1,850 |
-3,050 |
0,250 |
0,252 |
0,255 |
2. Pomiar charakterystyki przejściowej tranzystora unipolarnego złączowego BF 245
R1 = 1 k
R2 = 10
Rys. 3. Schemat do wyznaczania charakterystyki przejściowej tranzystora unipolarnego PNFET
Charakterystyka przejściowa określa zależność
. Wartości napięć UDS, przy których wyznaczano charakterystyki przejściowe, zamieszczono w tabeli:
Lp. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
UDS [ V ] |
0,268 |
0,587 |
1,154 |
1,934 |
3,070 |
4,280 |
Charakterystykę przejściową tranzystora BF 245 zamieszczono na wykresie 2. Napięcie UGS jest określone czułością 0,5V/cm, natomiast prąd drenu jest mierzony pośrednio jako spadek napięcia na rezystorze 10 . Ponieważ napięcie na tym rezystorze jest określone czułością 10 mV/cm, to prąd drenu będzie określony czułością 10/10 mV/cm = 1 mA/cm.
Na podstawie rodziny charakterystyk przejściowych można określić wartość transkonduktancji gm, napięcie odcięcia kanału UP (wartość napięcia UGS, przy której jest zamykany kanał, ID = 0) oraz prąd nasycenia IDSS (dla UGS = 0).
Rys. 4. Sposób wyznaczania parametrów gm oraz UP z charakterystyki przejściowej.
W celu wyznaczenia transkonduktancji gm przyjmujemy: ID2 = 5 mA; ID1 = 4 mA; UGS2 = -1,06 V; UGS1 = -1,3 V; UDS = 4,28Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:
Czyli ostatecznie gm = 4,167⋅10-3 S przy UDS = 4,28V.
Wartość napięcia odcięcia UP odczytana z wykresu dla ID = 0 wynosi UP = - 3,9 V i nie zależy od napięcia UDS.
Wartość prądu nasycenia IDSS prz UGS = 0 odczytana z wykresu wynosi w zależności od napięcia UDS:
UDS |
IDSS |
[ V ] |
[ mA ] |
0,268 |
1,40 |
0,587 |
2,65 |
1,154 |
4,85 |
1,934 |
6,65 |
3,070 |
7,90 |
4,280 |
8,15 |
3. Pomiar charakterystyki wyjściowej tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką IRF 520
R = 10
Rys. 5. Schemat do wyznaczania charakterystyki wyjściowej tranzystora unipolarnego IGFET
Wartości napięć UGS, przy których wyznaczano charakterystyki wyjściowe
, zamieszczono w tabeli:
Lp. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
UGS [ V ] |
2,90 |
3,01 |
3,06 |
3,09 |
3,13 |
Charakterystykę wyjściową tranzystora IRF 520 zamieszczono na wykresie 3. Napięcie UDS jest określone czułością 0,5V/cm, natomiast prąd drenu jest mierzony pośrednio jako spadek napięcia na rezystorze 10 . Ponieważ napięcie na tym rezystorze jest określone czułością 5 mV/cm, to prąd drenu będzie określony czułością 5/10 mV/cm = 0,5 mA/cm.
Na podstawie rodziny charakterystyk wyjściowych można określić wartość konduktancji wyjściowej gds., z prostoliniowego odcinka charakterystyki (dla małych UDS) wartość konduktancji otwartego kanału GKO oraz transkonduktancję gm (wyznacza się ją głównie z charakterystyki przejściowej) - tak samo jak dla tranzystora JFET.
Obliczenia:
W celu wyznaczenia konduktancji otwartego kanału przyjmujemy: ID2 = 4,3mA; ID1 = 1,0mA; UDS2 = 0,30V; UDS1 = 0,05V; UGS =3,13Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:
Czyli ostatecznie GKO = 0,013 S przy UGS = 3,13V.
W celu wyznaczenia konduktancji wyjściowej gds przyjmujemy: ID2` = 4,85mA; ID1` = 4,80mA; UDS2` = 10V; UDS1` = 4V; UGS = 3,09Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:
Czyli ostatecznie gds = 8,333⋅10-6 S przy UGS = 3,09V.
W celu wyznaczenia transkonduktancji gm przyjmujemy: ID2” = 4,80mA; ID1” = 2,35 mA; UGS2” = 3,09V; UGS1” = 3,01V; UDS = 4Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:
Czyli ostatecznie gm = 0,031 S przy UDS = 4V.
Na podstawie charakterystyki wyjściowej wyznaczyć charakterystykę przejściową
. Wyznaczoną w ten sposób charakterystykę przejściową zamieszczono na wykresie 6. Punkty pomiarowe są wyznaczone z wykresu 3 opisującego zależność ID = f(UDS), lecz nie są one na nim zaznaczane ze względu na przejrzystość i czytelność charakterystyki wyjściowej, zamieszczono je w poniższej tabeli:
|
UDS = 1V |
UDS = 4V |
UDS = 7V |
UGS |
ID |
ID |
ID |
[mV] |
[mA] |
[mA] |
[mA] |
3,13 |
6,45 |
6,60 |
6,63 |
3,09 |
4,70 |
4,82 |
4,85 |
3,06 |
3,90 |
3,95 |
3,97 |
3,01 |
2,33 |
2,37 |
2,39 |
2,90 |
0,85 |
0,88 |
0,90 |
4. Pomiar charakterystyki przejściowej tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką IRF 520
R = 10
Rys. 6. Schemat do wyznaczania charakterystyki przejściowej tranzystora unipolarnego IGFET
Wartości napięć UDS, przy których wyznaczano charakterystyki przejściowe
, zamieszczono w tabeli:
Lp. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
UDS [ V ] |
0,268 |
0,587 |
1,154 |
1,934 |
3,070 |
4,280 |
Charakterystykę przejściową tranzystora IRF 520 zamieszczono na wykresie 4. Napięcie UGS jest określone czułością 200mV/cm, natomiast prąd drenu jest mierzony pośrednio jako spadek napięcia na rezystorze 10 . Ponieważ napięcie na tym rezystorze jest określone czułością 10 mV/cm, to prąd drenu będzie określony czułością 10/10 mV/cm = 1 mA/cm.
Na podstawie rodziny charakterystyk przejściowych można określić wartość transkonduktancji gm oraz napięcia progowego UT (UGS przy którym powstaje kanał).
W celu wyznaczenia transkonduktancji gm przyjmujemy: ID2 = 9 mA; ID1 = 4 mA; UGS2 = 2,6 V; UGS1 = 3,1 V; UDS = 4,51Vi podstawiając do wzoru otrzymujemy:
Czyli ostatecznie gm = 0,001 S przy UDS = 4,51V.
Wartość napięcia progowego UT odczytana z wykresu dla ID = 0 wynosi UT = 2,5 V i nie zależy od napięcia UDS.
WNIOSKI I UWAGI:
W pkt. 1 ćwiczenia wyznaczaliśmy charakterystyki wyjściowe tranzystora unipolarnego złączowego z kanałem n BF 245 przy stałym napięciu bramka - źródło. Z charakterystyk tych możemy zauważyć, że przy małych wartościach napięcia UDE prąd ID jest liniowo zależny od tego napięcia (spełnione prawo Ohma), a współczynnikiem proporcjonalności jest konduktancja kanału GK. Z charakterystyk tych widać, że konduktancja ta jest zależna od napięcia bramka - źródło, co obrazują różne nachylenia charakterystyk wyjściowych dla różnych napięć UGS. Im większa jest ujemna wartość napięcia UGS, tym konduktancja kanału jest mniejsza. Konduktancja wyjściowa wyznaczona z wykresu dla napięcia UGS = 0 wynosi 3,333⋅10-5 S, a więc jest bardzo mała, porównywalna z wartościami katalogowymi. W idealnym modelu tranzystora gds=0. Wartość transkonduktancji gm określa się z charakterystyki przejściowej, ale można wyznaczyć także z charakterystyki wyjściowej, podobnie jak wzmocnienie prądowe h21E w tranzystorze bipolarnym. Wyznaczona przez nas wartość transkonduktancji wynosi 2,586⋅10-3 S przy UDS = 5V. Konduktancję wyjściową można także wyznaczyć znając wartość konduktancji kanału otwartego i napięcie odcięcia (patrz char. przejściowa) ze wzoru gm = GKO(1 - UGS/UP).
Charakterystyka przejściowa wyznaczona na podstawie charakterystyki wyjściowej (wykres 5) ma podobny kształt do charakterystyki rzeczywistej (pkt. 2 ćwiczenia), a wartości prądu nasycenia są porównywalne (na wyznaczonej charakterystyce IDSS ≈ 7 mA, zaś na charakterystyce rzeczywistej IDSS ≈ 8 mA przy odpowiednich napięciach UDS)
W pkt. 2 ćwiczenia wyznaczaliśmy charakterystyki przejściowe tranzystora BF 245 przy stałym napięciu dren - źródło. Z charakterystyk tych widzimy, że prąd w tranzystorze płynie tylko przy napięciach UGS mniejszych od napięcia odcięcia UP, czyli wtedy, gdy kanał jest otwarty. Znak napięcia UGS jest zależny od typu kanału, ponieważ ma ono polaryzować złącze bramka - kanał w kierunku zaporowym. Mniejszej wartości napięcia UDS odpowiada mniejsza wartość prądu ID (również prądu nasycenia IDSS), ponieważ zmienia się szerokość kanału. Wartość napięcia odcięcia UP odczytana z wykresu wynosi -3,9V (wartość katalogowa mieści się w przedziale |0,5 - 8| V), zaś transkonduktancja jest rzędu 0,004 S i zależy silnie od punktu pracy, co widać porównując transkonduktancję wyznaczoną z charakterystyki wyjściowej z wartością wyznaczoną z charakterystyki przejściowej (różne napięcia UDS).
W pkt. 3 ćwiczenia wyznaczaliśmy charakterystyki wyjściowe tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką z kanałem n normalnie wyłączonym IRF 520 przy stałym napięciu bramka - źródło. Podobnie jak to było w tranzystorze złączowym dla małych napięć UDE prąd ID proporcjonalny do tego napięcia poprzez konduktancję kanału GK. Konduktancja wyjściowa wyznaczona z wykresu dla napięcia UGS = 3,09 wynosi 8,333⋅10-6 S, a więc jest bardzo mała, porównywalna z wartościami katalogowymi. Wartość transkonduktancji gm wyznaczona przez nas wynosi 0,031 S przy UDS = 4V. Na podstawie charakterystyki wyjściowej wyznaczyliśmy charakterystykę przejściową (wykres 6). Na jej podstawie oraz na podstawie charakterystyki wyznaczonej w pkt. 4 ćwiczenia możemy stwierdzić, że wartość napięcia UDS nie wpływa na kształt charakterystyki.
W pkt. 4 ćwiczenia wyznaczaliśmy charakterystyki przejściowe tranzystora IRF 520 przy stałym napięciu dren - źródło. Tranzystor z kanałem wzbogacanym polaryzuje się podając na bramkę napięcie o znaku przeciwnym do ładunku nośników tworzących prąd w kanale, czyli dla kanału typu n UGS > 0. Z charakterystyk przejściowych (wykres 3) widzimy, że prąd w tranzystorze płynie tylko przy napięciach UGS większych niż wartość napięcia progowego UT, przy którym kanał jest otwierany. W naszym przypadku UT = 2,5 V (wartość katalogowa jest rzędu 3V). Wyznaczona transkonduktancja wynosi 0,001 S dla UDS = 4,51V i zależy od punktu pracy. Widoczne załamanie charakterystyki przejściowej dla UGS rzędu 4V jest spowodowane włączeniem się ogranicznika prądowego na zasilaczu.
- 1 -