POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2004/2005 sem. letni
TRANZYSTORY POLOWE JFET I MOSFET
Cel ćwiczenia: Pomiar podstawowych charakterystyk i wyznaczenie parametrów określających
właściwości tranzystora polowego.
A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami:
Zapoznanie się z treścią poniższej instrukcji, zapoznanie się z teoretycznymi podstawami
działania tranzystorów polowych oraz ich nazewnictwem, przygotowanie schematów
pomiarowych,
B) WPROWADZENIE
Ogólny podział tranzystorów:
TRANZYSTORY
BIPOLARNE
POLOWE (UNIPOLARNE) FET
npn pnp
z izolowanÄ… bramkÄ…
ZÅ‚Ä…czowe
z kanałem z kanałem
metal-tlenek- specjalnych
typu n typu p
-półprzewodnik zastosowań (np
/MOSFET/ TFT) i
eksperymentalne
z indukowanym kanałem
z wbudowanym kanałem
z kanałem typu p
z kanałem typu p
z kanałem typu n
z kanałem typu n
Tranzystory: JFET:
c)
D
ID=0
D
b)
ID>0
dren
a)
n
n
kanał n
G
+
G
UDS = 0.1V
+ p+ p+
bramka bramka
p+
p+
-
UDS= 0,1V -
brak kanału
-
p+ p+
-
obszary warstwy zaporowej + UGS= -4V
S
UGS=-1V
+
S
z
ródło
Rys.1.Tranzystor polowy złączowy z kanałem typu n. a) szkic struktury; b) wpływ zaporowej polaryzacji UGS złącza p+-n na
szerokość kanału, c) odcięcie kanału dla UGS = UP czyli zatkanie tranzystora.
1
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
a)
ID ID
D ID
D D
UG
c)
b)
G
UDS= 2V UDS = 4V G UDS = 10V
G
+
+
+
p+ p+
p+ p+ p+ p+
n - n - n
-
S
S
UGS=0 S
Rys.2. Ilustracja wpływu napięcia UDS na kształt obszaru warstw zaporowych, a) UDS < |UP|, b) UDS = |UP|, c) UDS > |UP|,
Pomimo  zetknięcia warstw zaporowych, prąd drenu nie jest równy zeru, przy wzroście UDS utrzymuje się niemal na tym samym
poziomie.
ID [mA]
obszar
nienasycenia
UGS =0V
IDSS = 32
obszar nasycenia (pentodowy)
24
UGS = -1V
16
UGS = -2V
8
UGS = -3V
UGS = Up= -4V
UGS, V 2
4 6 8
10 12 UDS [V]
-4 -3 -2 -1
Rys. 3. Charakterystyki wyjściowe ID=(UDS) i przejściowe ID=(UGS) tranzystora JFET z kanałem typu n w układzie ze
wspólnym z
ródłem. Parametry tranzystora: UP = -4V oraz IDSS = 32 mA.
Tranzystor typu MOSFET na przykładzie tranzystora z indukowanym kanałem (normalnie wyłączony):
Kanał powstaje dopiero w wyniku oddziaływania pola elektrycznego przyłożonego pomiędzy bramkę G i podłoże B:
G - bramka (aluminium)
D
indukowany kanał typu n
D-dren
S izolator (SiO2)
n+
+
n+
G
n+
p UDS=0,2V
-
podłoże (Si typu p) n+
UGS>0
+
B
-
S
Rys.4. Budowa tranzystora polowego typu MOSFET z indukowanym kanałem typu n. Po przyłożeniu niewielkiego napięcia
UDS>0 i większego od niego UGS > 0, pole elektryczne, powstające pod wpływem, UGS powoduje odepchnięcie dziur od
powierzchni granicznej izolator-podłoże i przyciągnięcie w jej kierunku mniejszościowych elektronów. To zjawisko nazywa
się inwersją półprzewodnika.
ID [mA]
ID [mA]
obszar
nienasycenia
20
20
UGS =6V 16
16
12
obszar nasycenia (pentodowy)
12
UGS = 5V
8
8
UGS = 4V
4
4
UGS ,[V]
UT
UGS = 3V
UGS = UT=2V
6
UDS ,[V] 2 3 4
1 5
1
10
2 4 6 8 12
2
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
Rys.5. Charakterystyki przejściowa (dla zakresu nasycenia) i wyjściowa tranzystora polowego z indukowanym kanałem typu
n o napięciu tworzenia kanału UT = 2V.
C) POMIARY TRANZYSTORA
Tranzystor JFET lub MOSFETz kanałem wbudowanym (depletion mode)
1. Ustalić rodzaj, symbol oraz właściwą polaryzację tranzystora JFET lub MOSFET w układzie pracy
OS.
2. Zapoznać się z podstawowymi parametrami technicznymi badanego tranzystora. Szczególną uwagę
zwrócić na parametry krytyczne, determinujące bezpieczny obszar pomiarów.
3. Zaproponować układ pomiarowy do badania charakterystyk: wyjściowych i przejściowych.
4. Dla tranzystora JFET lub MOSFET z kanałem wbudowanym wyznaczyć prąd nasycenia IDSS . Prąd
IDSS jest to prąd ID przy napięciu UGS=0, który pozostaje praktycznie stały przy zmianach napięcia
UDS .
5. Zmierzyć charakterystyki przejściowe ID=f(UGS)UDS=par , tranzystora polowego dla trzech wartości
UDS stosując odpowiedni układ pomiarowy. Podczas pomiarów zwrócić uwagę na właściwe
wyznaczenie napięcia wyłączenia Up . Napięcie ćłUGS ćłnie powinno przekraczać ćłUp ćł o więcej niż
około 0,5V (odpowiedz dlaczego?).
6. Zmierzyć charakterystyki wyjściowe ID=f(UDS.)U =par dla trzech ustalonych wartości napięcia UGS .
GS
Tranzystor MOSFET kanałem indukowanym (enhacement mode)
7. Ustalić rodzaj, symbol oraz właściwą polaryzację tranzystora MOSFET z kanałem indukowanym w
układzie pracy OS.
8. Zapoznać się z podstawowymi parametrami technicznymi badanego tranzystora. Szczególną uwagę
zwrócić na parametry krytyczne, determinujące bezpieczny obszar pomiarów
9. Zaproponować układ pomiarowy do badania charakterystyk: przejściowych i wyjściowych.
10. Wyznaczyć wartość napięcia progowego Ut . Można to zrobić w : a) układzie do pomiaru
charakterystyki przejściowej lub, b) układzie bramki zwartej z drenem, gdy prąd ID osiąga określoną
wartość, np. 10 µA. Porównać uzyskane wyniki.
11. Zmierzyć charakterystykę przejściową ID=f(UGS)UDS=por dla trzech różnych wartości parametru
UDS:
12. Zmierzyć charakterystyki wyjściowe ID=f(UDS.)UGS=par dla trzech różnych wartości parametru UGS .
D) OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIAROWYCH
1. Narysować (wydrukować) wszystkie zmierzone charakterystyki tranzystora. Dla tranzystora
złączowego lub MOSFET z kanałem wbudowanym pracującym w zakresie nasycenia wyznaczyć
parametry IDSS oraz Up równania opisującego charakterystykę przejściową
UGS
ID = IDSS (1 - )2 (1)
U
P
Można to zrobić rysując charakterystykę przejściową w układzie współrzędnych kartezjańskich, w
którym na osi pionowej znajdują się wartości pierwiastka kwadratowego prądu wyjściowego ID, zaś
na poziomej, napięcie wejściowe UGS . W takim układzie współrzędnych (przy poprawnych
wynikach pomiarów) wykres powinien być wykresem funkcji liniowej gdyż
3
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
UGS
ID = IDSS - IDSS (2)
UP
to równanie linowe typu
y= ax + b (3)
gdzie:
I
DSS
(4)
y = I ; x = UGS ; a = - ; b = I .
D DSS
U
P
W celu znalezienia parametrów IDSS , Up, należy zastosować metodę regresji liniowej i porównać
wyrażenie na ID przekształcone do postaci (2) z równaniem linii prostej (3). Na tej podstawie
można wyznaczyć współczynniki a i b równania liniowego (3), a następnie parametr IDSS . Znając
IDSS oraz a można wyznaczyć Up. Ponieważ charakterystyki przejściowe mierzone są dla trzech
wartości parametru , obliczenia te należy powtórzyć trzyrotnie. W przypadku dużych różnic -
wyjaśnić przyczyny.
2. Wykorzystując obliczone parametry IDSS i Up narysować charakterystykę teoretyczną ID=IDSS(1-
UGS/Up)2 oraz na tym samym wykresie nanieść punkty pomiarowe charakterystyki rzeczywistej.
Ocenić uzyskane rezultaty.
3. Wyznaczyć parametry Ut oraz K równania opisującego charakterystykę przejściową tranzystora
MOS z kanałem indukowanym
UGS
ID = K (1 - )2 (5)
Ut
gdzie K to stała.
Aby to zrobić można zastosować metodę omówioną w pkt. C2. W tym celu należy narysować
punkty pomiarowe charakterystyki przejściowej w następującym układzie współrzędnych: na osi
pionowej pierwiastek kwadratowy prądu ID, zaś na poziomej napięcie wejściowe UGS Oznacza to
wykreślenie funkcji linowej wyrażonej zależnością
U
GS
I = K - K (6)
D
U
t
W takim układzie współrzędnych (przy poprawnych wynikach pomiarów) wykres powinien być
wykresem funkcji liniowej określonej równaniem (3).
W celu znalezienia parametrów K i Ut, należy zastosować metodę regresji liniowej. W tym celu
najpierw wyznaczamy współczynniki a i b równania liniowego(3). Na tej podstawie wyliczamy K i
Ut uwzględniając, że
K
(7)
y = I ; x = UGS ; a = - ; b = K .
D
U
t
Ponieważ charakterystyki przejściowe mierzone były dla czterech wartości parametru UDS
obliczenia te należy również powtórzyć czterokrotnie. W przypadku dużych różnic określić
przyczynę. Porównać wartości Ut wyznaczone na podstawie charakterystyk przejściowych z
wartością zmierzoną w pkt. A7. Wyjaśnić ewentualne różnice.
4. Na podstawie pomiarowych charakterystyk wyjściowych obliczyć i narysować konduktancję
wyjściową gDS w funkcji napięcia wyjściowego gDS(UDS) dla danego typu tranzystora.
5. Na podstawie teoretycznych charakterystyk przejściowych określonych równaniem (1) lub (5)
obliczyć i narysować transkonduktancję gm w funkcji napięcia wejściowego gm(UGS) dla danego
typu tranzystora.
E) ANALIZA WYNIKÓW
1. Wykreślić zmierzone charakterystyki, dokonać kompleksowej analizy uzyskanych wyników
pomiarowych oraz obliczeń.
4
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
2. Jak należy poprawnie wybrać punkt pracy tranzystora polowego.
3. Czy wartości Ut i Up zależą od UDS. ?
4. Porównać wartości obliczonych parametrów z wartościami katalogowymi.
Literatura:
1. W. Marciniak  Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone
2. W. Marciniak  Modele elementów półprzewodników
3. A.Kusy  Podstawy elektroniki
4.  Elementy półprzewodnikowe i układy scalone (katalog UNITRA  CEMI)
5. Gray P.E.,Searle C.L.-  Podstawy elektroniki
6. Praca zbiorowa -  Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych .
F) Schemat układu pomiarowego
+
ID
mA
V UD
IG
-UGG
µA
UGS
V
Rys. 6. Układ pomiarowy tranzystora złączowego z kanałem typu n np. BF 245FET. Do pomiarów można wykorzystać
zasilacz stabilizowany 5121. Do regulacji napięcia ujemnego UGS (-Up pięcia dodatniego UDS zakres 0 : +6 V.
5