ZESPÓŁ SZKÓŁ Nr 9 im. Romualda Traugutta

W KOSZALINIE

Opracowanie teoretyczne

Temat ćwiczenia:

Badanie tranzystorów MOS.

Koszalin rok szk. 2004/2005

1. Budowa tranzystorów z izolowaną bramką MOS

W tranzystorach polowych z izolowaną bramką pole elektryczne jest doprowadzone przez powierzchniową warstwę dielektryku. Tranzystory te różnią się od tranzystorów polowych złączowych tym, że złącze p-n (spolaryzowane w kierunku zaporowym) zostało zastąpione przez układ metal dielektryk-półprzewodnik.

Tranzystory polowe z bramką izolowaną są oznaczone w literaturze symbolem IGFET (Insulated Gate Fidel Effect Transistor). Do grupy tych tranzystorów należą:

• tranzystory z bramką utworzoną przez metalową elektrodę, która jest oddzielona od kanału przewodzącego cienką warstwę izolacyjną, utworzoną przez tlenek krzemuj; symbolem tej grypy jest skrót MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Fidel Effect Transistor),

• Tranzystory cienkowarstwowe; symbol tej grupy TFT (Thin film Transistor).

Tranzystory z izolowaną bramką w zależności od napięcia polaryzującego bramkę mogą:

• nie przewodzić przy braku napięcia polaryzującego bramkę; tranzystory takie nazywają się tranzystorami normalnie wyłączonymi (albo pracującymi przy wzbogacaniu nośników),

• przewodzić przy braku napięcia polaryzującego bramkę; tranzystory takie nazywają się tranzystorami Normalnie załączonymi (albo pracującymi przy zaburzeniu nośników w kanale).

Oba rodzaje pracy można uzyskać w tranzystorach o kanale typu n lub kanale typu p.

Na rys. 1. przedstawiono typowe konstrukcje tranzystorów typu MOS. Między obszarami typu n tworzy się kanał o przewodności typu n i konduktywności oraz przekroju zależnym od wartości pola elektrycznego, wytworzonego przez napięcie U_gs.

Tranzystory tej grupy charakteryzują się:

• częstotliwością graniczną do kilkuset MHz,

• mocą admisyjną do części wata,

• rezystancją wyjściową ok. 10 kΩ,

• rezystancją wejściową ok. 10¹² Ω.

Na Rys. 2 przedstawiono budowę tranzystora polowego cienkowarstwowego. Tranzystory te różnią się od tranzystorów MOS tym, że cieniutka warstewka półprzewodnika (ok. 1 μm) jest naniesiona na podłoże szklane lub ceramiczne. Charakterystyki tych tranzystorów są podobne do tranzystorów typu MOS.

2. Parametry, zastosowanie i przykładowe charakterystyki tranzystorów MOS

1. Podstawowe parametry statyczne tranzystorów

• U_GS(OFF) lub U_GS(lTH) - napięcie zatkania lub progowe;

• I_DSS - prąd drenu dla U_GS = 0 i przy określonym U_DS;

• I_D(OFF) - prąd drenu w stanie zatkania;

• I_GSS - prąd upływu bramki dla U_DS = 0 i przy określonym U_GS;

• U_(BR)GSS - napięcie przebicia dren-źródło;

• R_DS(ON) - rezystancja statyczna dren-źródło w stanie włączenia;

1. Charakterystyki tranzystorów polowych MOS

Każdy tranzystor można opisać przy pomocy różnych parametrów i charakterystyk. Najważniejsze z nich to charakterystyka przejściowa i wyjściowa. Każda charakterystyka przedstawia graficznie zależność pewnych wielkości w układzie współrzędnych.

1. Charakterystyka przejściowa I_D = f (U_GS) przy U_SD = const to zależność prądu drenu I_D od napięcia bramka - źródło U_DS przy stałym napięciu dren - źródło U_DS .

2. Charakterystyka wyjściowa I_D = f (U_DS ) przy U_GS = const to zależność prądu I_D drenu od napięcia dren - źródło U_DS przy stałym napięciu U_GS .

W zależności od sposobu domieszkowania obszaru kanału tranzystora rozróżiamy tranzystory z kanałem typu p i tranzystory z kanałem typu n.

1. Charakterystyki tranzystora MOS z kanałem typu p

Tranzystor MOS normalnie wyłączony to taki tranzystor, w którym prąd nie płynie przy braku napięcia polaryzującego bramkę.




Rys. 3.Tranzystor polowy MOS normalnie wyłączony z kanałem typu p.

1. symbol graficzny tranzystora

2. charakterystyka przejściowa tranzystora

3. charakterystyka wyjściowe tranzystora

Rysunek 3 przedstawia symbol graficzny tranzystora oraz jego charakterystyki. Jak widać z wykresów dren D i bramka G tranzystora jest zasilana napięciem ujemnym względem źródła S. Charakterystyka przejściowa (rys. 3 b) pokazuje, że prąd drenu I_D zaczyna płynąć dopiero gdy napięcie na bramce przekroczy napięcie progowe U_T wynoszące około - 2V. Rodzina charakterystyk wyjściowych (rys. 3 c) pokazuje, że w dużym zakresie napięć zasilania drenu względem źródła U_DS , prąd drenu I_D w niewielkim stopniu zależy od wielkości tego napięcia tylko jest mocno zależny od napięcia bramka - źródło U_GS. W zakresie niskich napięć U_DS (od zera do około 7 V) tranzystor ten zachowuje się jak rezystor, które go rezystancja jest regulowana napięciem bramka - źródło U_GS.

Rys 4. przedstawia charakterystyki tranzystora typu p normalnie załączonego tzn. takiego, w którym prąd drenu płynie gdy napięcie na bramce tranzystora jest równe zero.




Rys. 4. Tranzystor złączonwy MOS z kanałem typu p normalnie włączony.

1. symbol graficzny tranzystora

2. charakterystyka przejściowa tranzystora

3. charakterystyka wyjściowa tranzystora

Z charakterystyki przejściowej tranzystora widać, że prąd drenu I_D ma wartość równą około 4 mA gdy napięcie bramka - źródło U_GS ma wartość 0V. Podobnie jak poprzednio z charakterystyki wyjściowej można wysnuć wniosek, że prąd drenu zależy niemal wyłącznie od wartości napięcia bramka - źródło U_GS.

2. Charakterystyki tranzystora MOS z kanałem typu n

Poniższy rysunek przedstawia tranzystor z kanałem typu n normalnie wyłączony.




Rys. 5 Tranzystor polowy MOS normalnie wyłączony z kanałem typu n.

1. symbol graficzny tranzystora

2. charakterystyka przejściowa tranzystora

3. charakterystyka wyjściowe tranzystora

Tranzystory MOS z kanałem typu n są zasilane napięciem dodatnim na drenie względem źródła. Podobnie jak w tranzystorze typu p prąd drenu I_D płynie dopiero gdy napięcie na bramce przekroczy napięcie U_T tzn. około 2V. Rodzina charakterystyk wyjściowych I_D = f (U_DS) ma kształt analogiczny jak przy tranzystorze typu n z tą jednak różnicą, że napięcie zasilania jest dodatnie.

Podobnie jest z tranzystorem normalnie załączonym. Rysunek poniżej przedstawia symbol graficzny tranzystora oraz odpowiednie charakterystyki.




Rys. 6. Tranzystor polowy MOS normalnie załączony z kanałem typu n.

1. symbol graficzny tranzystora

2. charakterystyka przejściowa tranzystora

3. charakterystyka wyjściowe tranzystora

Na charakterystyce przejściowej widać, że tranzystor przestaje przewodzić gdy napięcie na bramce osiągnie napięcie U_T, które jest napięciem ujemnym względem źródła.

3. Zastosowanie tranzystorów polowych MOS

Tranzystory polowe z izolowaną bramką (MOS) stosowane są głównie jako elementy dyskretne:

• w stopniach wejściowych wzmacniaczy, elektrometrów itp. Ze względu na ich dużą rezystancję wejściowa (rzędu kilku GΩ) i mały poziom szumów własnych;

• we wzmacniaczach i mieszaczach głowic UKF, ze względu na kwadratowy przebieg ich charakterystyki przejściowej, co umożliwia unikniecie zniekształceń zawierających nieparzyste harmoniczne;

• w przetwornikach sygnałów stałych w zmienne i w innych układach wymagających kluczowania, ze względu na duży iloraz (10⁷ …10­­⁸) rezystancji dren - źródło w stanach przewodzenia i nieprzewodzenia;

• w filtrach i innych układach jako elementy o sterowanej rezystancji.

Tranzystory MOS jako elementy indywidualne mają podobny zakres zastosowań jak tranzystory polowe ze złączem p-n (PNFET). Szczególnie ważnym kierunkiem rozwoju tych elementów są tranzystory mocy wytwarzane w technologii VMOS, stosowane jako elementy przełącznikowe mocy. Te tranzystory wraz z innymi niekonwencjonalnymi elementami przełącznikowymi stanowią odrębną grupę rozpoznawaną najczęściej pod hasłem klucze elektroniczne. Jednak główną domeną tego typu tranzystorów jest zastosowanie ich w układach scalonych. Tranzystory polowe ze złączem metal semiconductor wykonanym z GaAs SA stosowane głównie jako elementy mikrofalowe, ze względu na ich rekordowo dużą częstotliwość pracy (do 100 GHz). Na rynku pojawiły się cyfrowe układy scalone z tymi właśnie tranzystorami. Są to superszybkie i drogie układy do zastosowań specjalnych.

4

Badanie wzmacniacza operacyjnego.

7

Opracowanie teoretyczne

8

Badanie tranzystorów MOS.

2

Badanie tranzystorów MOS.

Rys. 1. Tranzystory unipolarne z izolowaną bramką
a - tranzystor normalnie wyłączony,
b - tranzystor normalnie włączony,
c - symbole tranzysorów typu MOS z jedną i dwiema bramkami

Rys. 2. Tranzystor unipolarny cienkowarstwowy

---