Tranzystowy Mosfet.PDF

(176 KB) Pobierz
Microsoft Word - FET2004.doc
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
Złączowe
z izolowaną bramką
z kanałem
typu n
z kanałem
typu p
metal-tlenek-
-półprzewodnik
/MOSFET/
specjalnych
zastosowań (np
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:
b)
c)
D
I D =0
D
I D >0
a)
dren
n
n
kanał n
G
+
G
+
bramka
bramka
U DS = 0.1V
p +
p +
-
p +
p +
-
-
brak kanału
U DS = 0,1V
p +
p +
-
+
obszary warstwy zaporowej
U GS = -4V
S
+
U GS =-1V
S
źródło
Rys.1.Tranzystor polowy złączowy z kanałem typu n. a) szkic struktury; b) wpływ zaporowej polaryzacji U GS złącza p + -n na
szerokość kanału, c) odcięcie kanału dla U GS = U P czyli zatkanie tranzystora.
1
435221641.010.png 435221641.011.png 435221641.012.png 435221641.013.png
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
a)
U G
D I D
b)
D
I D
c)
D
I D
G
U DS = 2V
G
U DS = 4V
G
U DS = 10V
+
+
+
p +
p +
p +
p +
p +
p +
n
-
n
-
n
-
U GS =0
S
S
S
Rys.2. Ilustracja wpływu napięcia U DS na kształt obszaru warstw zaporowych, a) U DS < |U P |, b) U DS = |U P |, c) U DS > |U P |,
Pomimo „zetknięcia” warstw zaporowych, prąd drenu nie jest równy zeru , przy wzroście U DS utrzymuje się niemal na tym samym
poziomie.
I D [mA]
obszar
nienasycenia
U GS =0V
I DSS = 32
obszar nasycenia (pentodowy)
24
16
U GS = -1V
U GS = -2V
U GS = -3V
8
U GS = U p = -4V
U GS , V
-4
-3
-2
-1
2
4
6
8
10
12
U DS [V]
Rys. 3. Charakterystyki wyjściowe I D =(U DS ) i przejściowe I D =(U GS ) tranzystora JFET z kanałem typu n w układzie ze
wspólnym źródłem. Parametry tranzystora: U P = -4V oraz I DSS = 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
S
D-dren
izolator (SiO 2 )
n +
n +
n +
G
+
p
U DS =0,2V
-
podłoże (Si typu p)
U GS >0
n +
+
B
-
S
Rys.4. Budowa tranzystora polowego typu MOSFET z indukowanym kanałem typu n. Po przyłożeniu niewielkiego napięcia
U DS >0 i większego od niego U GS > 0, pole elektryczne, powstające pod wpływem, U GS powoduje odepchnięcie dziur od
powierzchni granicznej izolator-podłoże i przyciągnięcie w jej kierunku mniejszościowych elektronów. To zjawisko nazywa
się inwersją półprzewodnika .
I D [mA]
I D [mA]
obszar
nienasycenia
20
20
16
U GS =6V
16
12
8
4
obszar nasycenia (pentodowy)
12
U GS = 5V
8
U GS = 4V
U GS = 3V
4
U T
U GS ,[V]
U GS = U T =2V
U DS ,[V]
1
2
3
4
5
6
1
4
10
2
6
8
12
2
435221641.001.png 435221641.002.png 435221641.003.png 435221641.004.png 435221641.005.png
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 U T = 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 I DSS . Prąd
I DSS jest to prąd I D przy napięciu U GS =0 , który pozostaje praktycznie stały przy zmianach napięcia
U DS .
5. Zmierzyć charakterystyki przejściowe I D =f(U GS ) UDS=par , tranzystora polowego dla trzech wartości
U DS stosując odpowiedni układ pomiarowy. Podczas pomiarów zwrócić uwagę na właściwe
wyznaczenie napięcia wyłączenia U p . Napięcie  U GS nie powinno przekraczać  U p  o więcej niż
około 0,5V (odpowiedz dlaczego?).
6. Zmierzyć charakterystyki wyjściowe I D =f(U DS. ) U GS =par dla trzech ustalonych wartości napięcia U 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 U t . Można to zrobić w : a) układzie do pomiaru
charakterystyki przejściowej lub, b) układzie bramki zwartej z drenem, gdy prąd I D osiąga określoną
wartość, np. 10 µA. Porównać uzyskane wyniki.
11. Zmierzyć charakterystykę przejściową I D =f(U GS ) UDS=por dla trzech różnych wartości parametru
U DS :
12. Zmierzyć charakterystyki wyjściowe I D =f(U DS. ) UGS=par dla trzech różnych wartości parametru U GS .
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 I DSS oraz U p równania opisującego charakterystykę przejściową
I
=
I
(
U
−
)
2
(1)
D
DSS
P
Można to zrobić rysując charakterystykę przejściową w układzie współrzędnych kartezjańskich, w
którym na osi pionowej znajdują się wartości pierwiastka kwadratowego prądu wyjściowego I D , zaś
na poziomej, napięcie wejściowe U GS . W takim układzie współrzędnych (przy poprawnych
wynikach pomiarów) wykres powinien być wykresem funkcji liniowej gdyż
3
GS
U
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
I
D
= −
I
DSS
I
DSS
U
U
GS
(2)
P
to równanie linowe typu
y= ax + b
(3)
gdzie:
y
=
I
;
x
=
U
;
a
=
-
I
DSS
;
b
=
I
.
(4)
GS
D
U
DSS
P
W celu znalezienia parametrów I DSS , U p , należy zastosować metodę regresji liniowej i porównać
wyrażenie na I D przekształcone do postaci (2) z równaniem linii prostej (3). Na tej podstawie
można wyznaczyć współczynniki a i b równania liniowego (3), a następnie parametr I DSS . Znając
I DSS oraz a można wyznaczyć U p . Ponieważ charakterystyki przejściowe mierzone są dla trzech
wartości parametru , obliczenia te należy powtórzyć trzyrotnie. W przypadku dużych różnic -
wyjaśnić przyczyny.
2. Wykorzystując obliczone parametry I DSS i U p narysować charakterystykę teoretyczną I D =I DSS (1-
U GS /U p ) 2 oraz na tym samym wykresie nanieść punkty pomiarowe charakterystyki rzeczywistej.
Ocenić uzyskane rezultaty.
3. Wyznaczyć parametry U t oraz K równania opisującego charakterystykę przejściową tranzystora
MOS z kanałem indukowanym
I
=
K
(
U
−
GS
U
)
2
(5)
D
t
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 I D , zaś na poziomej napięcie wejściowe U GS Oznacza to
wykreślenie funkcji linowej wyrażonej zależnością
I
=
K
−
K
U
GS
(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 U t , należy zastosować metodę regresji liniowej. W tym celu
najpierw wyznaczamy współczynniki a i b równania liniowego(3). Na tej podstawie wyliczamy K i
U t uwzględniając, że
y
=
I
x
=
U
;
a
=
-
K
;
b
=
K
.
(7)
GS
D
U
t
Ponieważ charakterystyki przejściowe mierzone były dla czterech wartości parametru U DS
obliczenia te należy również powtórzyć czterokrotnie. W przypadku dużych różnic określić
przyczynę. Porównać wartości U t 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 g DS w funkcji napięcia wyjściowego g DS (U DS ) dla danego typu tranzystora.
5. Na podstawie teoretycznych charakterystyk przejściowych określonych równaniem (1) lub (5)
obliczyć i narysować transkonduktancję g m w funkcji napięcia wejściowego g m (U GS ) dla danego
typu tranzystora.
E) ANALIZA WYNIKÓW
1. Wykreślić zmierzone charakterystyki, dokonać kompleksowej analizy uzyskanych wyników
pomiarowych oraz obliczeń.
4
;
435221641.006.png 435221641.007.png 435221641.008.png
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
2. Jak należy poprawnie wybrać punkt pracy tranzystora polowego.
3. Czy wartości U t i U p zależą od U DS. ?
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
+
mA
I D
I G
V
U D
-U GG
µ A
V
U GS
Rys. 6. Układ pomiarowy tranzystora złączowego z kanałem typu n np. BF 245FET. Do pomiarów można wykorzystać
zasilacz stabilizowany 5121. Do regulacji napięcia ujemnego U GS (-U p <U GS <0) wykorzystać zakres 0 : -20 V, a do na-
pięcia dodatniego U DS zakres 0 : +6 V.
5
435221641.009.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin