AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA w BYDGOSZCZY Instytut Telekomunikacji i Elektrotechniki
ZAKŁAD PODSTAW ELEKTRONIKI			Imię i nazwisko : 1. Waldemar Łuczak 2. Tomasz Matczak 3. Przemysław Płoszyński
Laboratorium elementów i układów elektronicznych
Nr ćwiczenia: 3 Tranzystor polowy z izolowaną bramką.			Nr grupy: O5	Semestr: IV
Data wykonania ćw. 98. IV. 22	Data oddania spr. 98. IV. 29	Ocena:	Instytut Elektroniki i Telekomunikacji

1. Cel ćwiczenia.

Wyznaczanie wybranych parametrów oraz zapoznanie się z własnościami wzmacniającymi tranzystora polowego z izolowaną bramką.

2. Spis zastosowanych przyrządów:

• woltomierz cyfrowy x2

• miliamperomierz

• oscyloskop

• generator przebiegu sinusoidalnego

• zasilacz stabilizowany

• rezystory regulacyjne (110Ω, 1100Ω)

3. Pomiary.

3.1. Pomiar charakterystyk statycznych.

Układ pomiarowy

• charakterystyki wyjściowe: I_D=f(U_DS), U_GS - parametr

UDS [V]	UGS= -5V		UGS= -6,5V	UGS= -8V	UGS= -9,5V	UGS= -11V
		ID [mA]
0,0	0,000		0,000	0,000	0,000	0,000
-0,5	0,293		0,888	1,248	1,420	1,622
-1	0,399		1,516	2,335	2,824	3,282
-2	0,435		2,244	4,064	5,274	6,370
-3	0,458		2,467	5,034	7,123	8,999
-4	0,478		2,579	5,538	8,430	12,06
-5	0,494		2,607	5,782	9,228	13,39
-6	0,508		2,743	5,947	9,655	14,23
-7	0,522		2,805	6,094	9,936	14,70
-8	0,561		2,871	6,214	10,14	14,99
-10	0,582		2,989	6,323	10,48	15,41
-12	0,601		3,100	6,615	10,76	15,76
-14	0,625		3,210	6,775	11,05	16,01
-15	0,633		3,280	6,905	11,24	16,70

• charakterystyki przejściowe: I_D=f(U_GS), U_DS - parametr

UGS [V]	UDS= -5V		UDS= -10V	UDS= -15V
		ID [mA]
0,0	0,000		0,000	0,000
-4	0,015		0,018	0,022
-4,5	0,183		0,205	0,251
-5	0,540		0,661	0,692
-5,5	1,098		1,215	1,381
-6	1,802		1,985	2,190
-6,5	2,649		2,921	3,211
-7	3,570		4,022	4,290
-7,5	4,701		5,021	5,565
-8	5,370		6,210	6,984
-8,5	7,001		7,610	8,303
-9	8,262		9,140	9,806
-9,5	9,417		10,39	11,252
-10	10,542		12,00	12,83
-10,5	11,709		13,50	14,69
-11	13,19		15,59	17,77

3.2. Pomiar charakterystyk dynamicznych.

Układ pomiarowy

• charakterystyki dynamiczne: I_D=f(U_GS), U_DD= -15V, R_d=3,3kΩ, f=2kHz

ID [mA]	0,023	0,243	0,666	1,280	1,958	2,716	3,430	3,792	3,927	3,999	4,044	4,082	4,109	4,132	4,148
UGS [V]	-4	-4,5	-5	-5,5	-6	-6,5	-7	-7,5	-8	-8,5	-9	-9,5	-10	-10,5	-11

3.3. Pomiar wzmocnienia układu w zależności od punktu pracy.

Układ pomiarowy

1. oscylogram „1”

Punkt pracy : U_GS= -4,38 V I_D = -0,073 mA

Uwe= 0,3V

Uwy=0,38V

Uwy=0,38V

K_U= = 1,27

Uwe=0,3V

2. oscylogram „2”

Punkt pracy : U_GS= -7,00 V I_D = -2,820 mA

Uwe= 0,3V

Uwy=0,15V

Uwy=0,15V

K_U= = 0,5

Uwe=0,3V

3. oscylogram „3”

Punkt pracy : U_GS= -9,00 V I_D = -3,990 mA

Uwe= 0,3V

Uwy=0,11V

Uwy=0,11V

K_U= = 0,37

Uwe=0,3V

4. oscylogram „4”

Punkt pracy : U_GS= -6,07 V I_D = -1,491 mA

Uwe= 0,3V

Uwy=1,4V

Uwy=1,4V

K_U= = 4,67

Uwe=0,3V

4. Opracowanie wyników pomiarów.

4.1. Charakterystyki statyczne.

Charakterystyki wyjściowe I_D=f(U_DS), U_GS - parametr:

Charakterystyki przejściowe I_D=f(U_GS), U_DS - parametr:

4.2. Prosta obciążenia oraz dynamiczna charakterystyka przejściowa wykreślona na jej podstawie.

4.3. Dynamiczna charakterystyka przejściowa (na podstawie pomiarów).

I_D=f(U_GS), U_DD= -15V, R_D=3,3kΩ

Analizując powyższą charakterystykę zauważamy, że optymalny punkt pracy tranzystora pod kątem wzmocnienia i zniekształceń sygnału przypada na wartości napięć U_DD = -15 V, U_GS= -6V, co odpowiada prądowi I_D=-1,9mA. Optymalny punkt pracy wyznaczony doświadczalnie za pomocą oscyloskopu przypadał na wartość napięć U_DD = -15 V, U_GS= -6,36V i prądu I_D = -1,89 mA. Różnice między punktem pracy wyznaczonym za pomocą charakterystyki dynamicznej i punktem pracy wyznaczonym za pomocą oscyloskopu wynikają z tego, że na oscyloskopie bardzo trudno uchwycić dokładnie optymalny punkt pracy.

Porównując charakterystykę dynamiczną wyznaczoną za pomocą rodziny charakterystyk wyjściowych i prostej obciążenia z powyższą charakterystyką stwierdzamy, że zarówno ogólny kształt jak i charakterystyczne punkty w pewnym stopniu różnią się. Brak idealnego zgrania tych charakterystyk można wytłumaczyć tym, że charakterystyka wyznaczona za pomocą charakterystyk wyjściowych ma mało punktów pomiarowych (rodzina składa się tylko z czterech wykresów dla różnych U_GS) więc charakterystyka dynamiczna jest bardzo niedokładna, podczas gdy na powyższą charakterystykę składało się wiele punktów pomiarowych co pozwoliło na w miarę dokładne odzwierciedlenie rzeczywistej charakterystyki.

4.4. Wyznaczenie optymalnego punktu pracy pod kątem wzmocnienia układu i zniekształceń.

U_GS= -6,70V I_D= -2,358mA

4.5. Wyznaczenie transkonduktancji i rezystancji dynamicznej kanału.

a)

Punkt pracy : U_DD = -15 V

U_GS= -6 V I_D = -1,9 mA

b)

Punkt pracy : U_DD = -15 V

U_GS= -6 V I_D = -1,9 mA

4.6. Wyznaczenie napięcia progowego.

Napięcie progowe wynosi U_T wynosi ok. 4,5V.

5. Wnioski.

Tranzystor z izolowaną bramką MOS (MOSFET) posiada cztery elektrody: dren, źródło, bramkę i elektrodę zwaną podłożem. Bramka tego tranzystora jest odizolowana od podłoża krzemowego cienką warstwą SiO₂ (stąd nazwa tranzystor z izolowaną bramką ). W płytce krzemu określonego typu ( p lub n ) są wytworzone dwa obszary, których typ jest przeciwny względem typu krzemu. Jeden z tych wytworzonych obszarów nazywamy właśnie drenem, a drugi źródłem. Kanał przewodzący między wdyfundowanymi obszarami drenu i źródła tworzy się w powierzchniowej warstwie krzemu pod wpływem różnicy potencjałów pomiędzy bramką a podłożem. Wyróżnia się MOS z kanałami typu n i p. Tranzystory te dzieli się również na:

• tranzystory z kanałem zubożonym (wbudowanym)

• tranzystory z kanałem wzbogaconym (indukowanym).

W powyższym ćwiczeniu badaliśmy parametry statyczne i dynamiczne tranzys­tora polowego z izolowaną bramką z kanałem typu p. Rozpatrywany tranzystor MOS był normalnie wyłączony, gdyż kanał należało dopiero zaindukować, działając odpowiednio dużym napięciem bramki (U_GS > U_T).

Tranzystor pracował w układzie wspólnego źródła, a zatem odwracał fazę o 180°. Ze względu na bardzo dużą rezystancję wejściową był on sterowany napięciowo. W porównaniu z układem WE tranzystora bipolarnego, uzyskane wzmocnienie napięciowe było mniejsze, jednak sam sposób wyznaczania optymalnego punktu pracy i innych parametrów - był analogiczny.

Aby tego typu tranzystor zaczął działać musimy zaindukować kanał pomiędzy drenem a źródłem. Ponieważ jest to tranzystor z kanałem typu p, więc aby kanał ten powstał przy warstwie powierzchniowej połączył dren ze źródłem musimy spowodować inwersje typu krzemu w tym obszarze. Aby to osiągnąć musimy na bramkę tranzystora podać potencjał ujemny względem podłoża co jest równoznaczne z podaniem ujemnego potencjału na bramkę względem źródła. Gdy to napięcie osiągnie pewną wartość nazywaną napięciem progowym i oznaczanym U_T (z ang. threshold voltage) wówczas tranzystor zaczyna przewodzić. W naszym przypadku zauważyliśmy, że tranzystor zaczyna przewodzić gdy U_T= -4,5V. Dopóki napięcie bramki ma mniejszą wartość IU_GSI<IU_TI , dopóty prąd drenu ma wartość równą zeru. Gdy napięcie bramki osiąga wartość U_T w obszarze przypowierzchniowym półprzewodnika pojawia się warstwa inwersyjna. Ponieważ ma ona ten sam typ przewodnictwa co obszary źródła i drenu, tworzy kanał umożliwiający przepływ prądu I_D między tymi obszarami.

Dalszy wzrost napięcia bramki U_GS powoduje zwiększanie konduktancji kanału, wskutek wzrostu liczby nośników w kanale, co pociąga za sobą zwiększanie się prądu drenu. Dopóki napięcie U_DS jest małe w porównaniu z napięciem bramki U_GS, dopóty kanał spełnia funkcję rezystora liniowego o rezystancji regulowanej za pomocą napięci bramki. W tym zakresie napięć zmiany prądu I_D w funkcji napięcia U_DS są prawie liniowe. W miarę wzrostu napięcia U_DS zwiększa się wartość prądu drenu, i na rezystancji kanału odkłada się coraz większy spadek napięcia. Spadek napięcia w kanale, wzrastający od źródła do drenu, powoduje zmniejszenie różnicy potencjałów między bramką a kanałem, co prowadzi do malenia w tym samym kierunku grubości kanału.

Wartość napięcia U_DS przy którym kanał w obszarze przydrenowym przestaje istnieć ( zanika inwersja przy drenie ) nazywa się napięciem nasycenia i oznacza U_dsat. Wzrost napięcia powyżej wartości U_dsat powoduje rozszerzanie się obszaru zubożonego przy drenie. Spadek napięcia na części przewodzącej kanału pozostaje stały i wynosi U_Dsat, natomiast cały przyrost napięcia U_DS odkłada się na obszarze zubożonym. Ponieważ rezystancja obszaru zubożonego jest bardzo duża, to zwiększenie napięcia U_DS powoduje tylko nieznaczne zmiany prądu drenu (charakterystyk wyjściowa tranzystora).

Tranzystory MOS stosowane są jako elementy dyskretne w stopniach wejściowych wzmacniaczy (uwzględniając ich dużą rezystancję wejściową i mały poziom szumów własnych), a także w filtrach.

6

2

---