Ćwiczenie 9 TRANZYSTORY POLOWE MOS

Transkrypt

1 Ćwiczenie 9 TRNZYSTORY POLOWE MOS Wstęp Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk napięciowo-prądowych tranzystorów n-mosfet i p-mosfet, tworzących pary komplementarne w układzie scalonym CD4007 (rys.1). Wyniki pomiarów pozwolą na określenie wartości parametrów występujących w schematach zastępczych tych tranzystorów. Następnym etapem będzie badanie inwertera zbudowanego z pary tranzystorów n-mos i p-mos. Do pomiarów służy dydaktyczny model pomiarowy DMP p p p n n n CD Rys.1. Schemat wewnętrzny układu scalonego CD4007 Konspekt przygotowanie przed zajęciami Konspekt, który należy przygotować na zajęcia składa się z części teoretycznej związanej z tematem ćwiczenia. Przebieg ćwiczenia 1. STNOWISKO POM IROWE Stanowisko pomiarowe zbudowane jest z modułu pomiarowego DMP9 oraz zasilacza dwukanałowego gilent E3646, multimetru gilent pracującego jako amperomierz lub woltomierz i woltomierza (np. Metex) do badania inwertera. Dodatkowo stanowisko wyposażone jest w komputer z odpowiednią aplikacją pomiarową zaprojektowaną w środowisku Labiew. Poniżej przedstawiono poglądowy rysunek modułu DMP9 (rys. 2). Zaznaczono na nim położenie Katedra Elektroniki GH ver

2 przełączników, wejścia i wyjścia pomiarowe oraz mozaikę ścieżek połączeniowych. WE WY C O P.P DYN. P6 STT. 2 1 ½ P5 I ZS I D P1 INW TR P2 PMOS NMOS P3 CH-KI P4 regu SB U SB=0 Rys. 2. Rozmieszczenie przełączników, wejść i wyjść pomiarowych oraz połączeń na płytce DMP9. 2. POMIRY CH-K PRZEJ ŚCIOWYCH TRNZYSTOR n-mos Schemat pomiarowy służący do badań charakterystyk przejściowych i wyjściowych tranzystora NMOSFET przedstawiono na rysunku 3. Realizacja tego schematu przy użyciu modułu pomiarowego wymaga ustawienia odpowiednich przełączników. Bardzo istotne jest właściwie ustawienie przełączników, gdyż w przeciwnym razie badany układ scalony może ulec uszkodzeniu. U1 Rys. 3. Schemat pomiarowy do pomiaru ch-k przejściowych i wyjściowych tr. n-mosfet Na płytce DMP9 podłączyć multimetr gilent do gniazda I D będzie służył do pomiaru prądu drenu badanego tranzystora. Do pomiaru napięć będzie wykorzystany zasilacz gilent E3646. Zapewnić dodatnią polaryzację napięć zasilających U1 i przez odpowiednie podłączenia wtyków bananowych do gniazd zasilacza (czerwony wtyk czerwone gniazdo, czarny wtyk czarne gniazdo). Przełączniki ustawić w następujących pozycjach: P1 TR, P2 NMOS, P3 CH-KI, P4 U SB =0, P5 1 i P6 dowolnie. Zmierzyć charakterystykę przejściową tranzystora n-mosfet w zakresie napięć dodatnich na bramce U GS = 0 do 10 dla kilku stałych wartości napięcia U DS. można wykonać za pomocą programu NMOS_ch-przej, (przykładowe ustawienia: U1max = 10, max = 10, krok U1 = 1, krok = 0,2). Katedra Elektroniki GH ver

3 Na podstawie zebranych wyników wykreślić w sprawozdaniu charakterystyki. Wykreślić pomocniczą ch-kę dla przypadku, gdy tranzystor pracował w nasyceniu w celu wyznaczenia napięcia progowego T. Zaznaczyć obszar pracy liniowej i nasycenia tranzystora na wykreślonych ch-kach. W oparciu o otrzymane charakterystyki wyznaczyć wartości prądu nasycenia drenu I DSS dla różnych napięć U DS. 3. POMIRY CH-K WYJ ŚCIOWYCH TRNZYSTOR n-mos W układzie pomiarowym jak poprzednio (rys.3), przy takim samym ustawieniu przełączników, wykonać pomiary potrzebne do wykreślenia charakterystyk wyjściowych w zakresie napięć U DS = 0 do 10 dla kilku stałych napięć na bramce (np.: U GS = 2, 4, 6, 8, 10 ). można wykonać za pomocą programu NMOS_ch-wyj (przykładowe ustawienia: U1max = 10, max = 10, krok U1 = 0,2, krok = 1). Na podstawie zebranych wyników wykreślić w sprawozdaniu charakterystyki wyjściowe i wrysować krzywą rozdzielającą zakres pracy liniowej od nasycenia. Na podstawie powyższych ch-k wyznaczyć parametr. 4. BDNIE EFEKTU OBJĘTOŚCIOWEGO W TRNZYSTORZE n-mos Napięcie podłoża U SB ma wpływ na napięcie progowe tranzystora poprzez tzw. efekt objętościowy. Schemat pomiarowy do badania efektu objętościowego przedstawiono na rysunku 4. U1 Rys. 4. Schemat pomiarowy do wyznaczania współczynnika tranzystora n-mosfet Zasilacz gilent E3646 aby odzyskać władzę nad zasilaczem po zakończeniu automatycznych pomiarów z komputerem należy wcisnąć przycisk Local na panelu zasilacza. używając przycisków Output 1 i Output 2 oraz pokrętła (z prawej strony) można ustawiać napięcia wyjściowe zasilacza. Rys. 5. Płyta czołowa zasilacza gilent E3646 Katedra Elektroniki GH ver

4 Przed rozpoczęciem przełączania konfiguracji pomiarowej ustawić napięcia U1 i zasilacza na 0 (rys. 5), gdyż w trakcie przełączania może zaistnieć konfiguracja układu, w której testowany układ scalony zostanie uszkodzony. Przełącznik P3 ustawić w pozycji, P4 regu SB, a P5 w pozycji 1, pozostałe pozostawić bez zmian (P1 TR, P2 NMOS, P6 dowolnie). Zmienić polaryzację napięcia na ujemną (zamienić wtyki w gnieździe Output2 zasilacza: czerwony wtyk czarne gniazdo, czarny wtyk czerwone gniazdo). Zmierzyć ch-ki przejściowe dla kilku wartości napięć U SB. UWG: Nie przekraczać napięcia U SB = 10. można wykonać za pomocą programu NMOS_ch-wyj (Przykładowe ustawienia: U1max = 10, krok U1 = 0,2, krok = 1. by nie uszkodzić tranzystora należy obserwować zmiany napięcia i przy wartości 10 wcisnąć przycisk Save to File, co spowoduje przerwanie pomiarów i zapis wyników do pliku). Na podstawie zebranych pomiarów prądu drenu wykreślić w sprawozdaniu ch-ki. Na ich podstawie wyznaczyć współczynnik objętościowy napięcia progowego oraz parametr. Porównać wyniki z wynikami uzyskanymi w poprzednim punkcie. Wyznaczanie parametrów T, i tranzystora MOS. Parametry T, i można wyznaczyć z charakterystyk przejściowych, które zostały zmierzone dla różnych napięć polaryzujących podłoże U SB. Prąd drenu tranzystora pracującego w nasyceniu (gdy: u DS > u GS T ) jest opisany równaniem: k W 2 id ( ugs T ) (1 uds ) (5.2) 2 L gdzie: napięcie progowe zależne od napięcia polaryzującego podłoże u SB wyrażą się wzorem: ( u ) (5.3) T T 0 SB gdzie: T0 to napięcie progowe przy napięciu źródło-podłoże u SB =0, współczynnik objętościowy napięcia progowego, współczynnik modulacji długości kanału, potencjał powierzchniowy przy silnej inwersji półprzewodnika. Jeśli wpływ modulacji długości kanału zostanie pominięty i wprowadzimy współczynnik wzmocnienia tranzystora określony jako: W k to równanie (5.2) można przekształcić do postaci pozwalającej na L wyznaczenie : 2iD (5.4) ugs T 0 oraz równanie (5.3) do postaci pozwalającej na wyznaczenie parametru : T ( usb T 0 ) (5.5) u Jeśli na wykresie przedstawiającym zależność 2iD f ( ugs uds ) (rys. 6) dla poszczególnych serii danych pomiarowych wykonanych dla różnych u SB zostaną wykreślone proste, to ich współczynniki kierunkowe są równe pierwiastkowi wzmocnienia tranzystora ( ), zgodnie z równaniem (5.4). Dla każdej prostej można wyznaczyć napięcie progowe z przecięcia prostej z osią odciętych, a następnie korzystając z zależności (5.5) można wyliczyć współczynnik objętościowy napięcia progowego. a) b) D G U GS =U DS I D S Rys. 6. Konfiguracja tranzystora do pomiarów (a) i sposób wykreślania ch-k przejściowych do wyznaczania parametrów Tx, i (b) Katedra Elektroniki GH ver B U SB 2 I D SB U SB=0 U SB1 U SB2 T0 T1 T2 U GS=U DS

5 5. POMIRY CH-K PRZEJ ŚCIOWYCH TRNZYSTOR p-mos Schemat pomiarowy służący do badań charakterystyk przejściowych i wyjściowych tranzystora PMOSFET przedstawiono na rysunku 7. Podobnie jak poprzednio realizacja tego schematu przy użyciu modułu pomiarowego DMP9 wymaga ustawienia odpowiednich przełączników. Należy zwrócić uwagę na właściwie ustawienie przełączników oraz zerowe wartości napięć zasilacza. U1 Rys. 7. Schemat pomiarowy do pomiaru ch-k przejściowych i wyjściowych tr. p-mosfet Przed rozpoczęciem przełączania konfiguracji pomiarowej ustawić napięcia U1 i zasilacza na 0 (rys. 5), gdyż w trakcie przełączania może zaistnieć konfiguracja układu, w której testowany układ scalony zostanie uszkodzony. Na płytce DMP9 podłączyć multimetr gilent do gniazda I D będzie służył do pomiaru prądu drenu badanego tranzystora. Zapewnić ujemną polaryzację napięć zasilających U1 i przez odpowiednie podłączenia wtyków bananowych do gniazd zasilacza (czerwony wtyk czarne gniazdo, czarny wtyk czerwone gniazdo). Przełączniki ustawić w następujących pozycjach: P1 TR, P2 PMOS, P3 CH-KI, P4 U SB =0, P5 1 i P6 dowolnie. Zmierzyć charakterystykę przejściową tranzystora p-mosfet w zakresie napięć ujemnych na bramce od U GS = 0 do 10 dla kilku stałych wartości napięcia U DS. można wykonać za pomocą programu PMOS_ch-przej (przykładowe ustawienia: U1max = 10, krok U1 = 0,2, krok = 1). Na podstawie zebranych wyników wykreślić w sprawozdaniu charakterystyki i D =f(u GS ). Wykreślić pomocniczą ch-kę dla przypadku, gdy tranzystor pracował w nasyceniu w celu wyznaczenia napięcia progowego T. Zaznaczyć obszar pracy liniowej i nasycenia tranzystora na wykreślonych ch-kach. W oparciu o otrzymane charakterystyki wyznaczyć wartości prądu nasycenia drenu I DSS dla różnych napięć U DS. 6. POMIRY CH-K WYJ ŚCIOWYCH TRNZYSTOR p-mos W układzie pomiarowym jak poprzednio (rys.8), przy takim samym ustawieniu przełączników, wykonać pomiary potrzebne do wykreślenia charakterystyk wyjściowych w zakresie napięć od U DS = 0 do U DS = 10 dla kilku stałych napięć na bramce (np.: U GS = 2, 4, 6, 8, 10 ). można wykonać za pomocą programu PMOS_ch-wyj (przykładowe ustawienia: U1max = 10, krok U1 = 0,2, krok = 1). Katedra Elektroniki GH ver

6 Na podstawie zebranych wyników wykreślić w sprawozdaniu charakterystyki wyjściowe i wrysować krzywą rozdzielającą zakres pracy liniowej od nasycenia. Na podstawie powyższych ch-k wyznaczyć parametr. 7. BDNIE EFEKTU OBJĘTOŚCIOWEGO W TRNZYSTORZE p-mos Niezerowe napięcie podłoża U SB na wpływ na napięcie progowe poprzez tzw. efekt objętościowy. Schemat pomiarowy do badania efektu objętościowego przedstawiono na rysunku 8. U1 Rys. 8. Schemat pomiarowy do pomiaru parametru tranzystora p-mosfet Przed rozpoczęciem przełączania konfiguracji pomiarowej ustawić napięcia U1 i zasilacza na 0 (rys. 5), gdyż w trakcie przełączania może zaistnieć konfiguracja układu, w której testowany układ scalony zostanie uszkodzony. Przełącznik P3 ustawić w pozycji, P4 regu SB, a P5 w pozycji 1, pozostałe pozostawić bez zmian (P1 TR, P2 PMOS, P6 dowolnie). Zmienić polaryzację napięcia na dodatnią (zamienić wtyki w gnieździe Output2 zasilacza: czerwony wtyk czerwone gniazdo, czarny wtyk czarne gniazdo). Zmierzyć ch-ki przejściowe dla kilku wartości napięć U SB. UWG: Nie przekraczać napięcia U SB = 10. można wykonać za pomocą programu PMOS_ch-wyj (Przykładowe ustawienia: U1max = 10, krok U1 = 0,2, krok = 1. by nie uszkodzić tranzystora należy obserwować zmiany napięcia i przy wartości 10 wcisnąć przycisk Save to File, co spowoduje przerwanie pomiarów i zapis wyników do pliku). Na podstawie zebranych pomiarów prądu drenu wykreślić w sprawozdaniu ch-ki. Na ich podstawie wyznaczyć współczynnik objętościowy napięcia progowego oraz parametr. Porównać wyniki z wynikami uzyskanymi w poprzednim punkcie. 8. BDNIE INWERTER CMOS Łącząc dwa tranzystory odmiennych typów (PMOS i NMOS) szeregowo jak na rysunku 9 można otrzymać inwerter, czyli podstawową bramkę logiczną. Takie połączenie jest nazywane układem CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Katedra Elektroniki GH ver

7 U1 Rys. 9. Schemat pomiarowy do badania inwertera CMOS Przed rozpoczęciem przełączania konfiguracji pomiarowej ustawić napięcia U1 i zasilacza na 0, gdyż w trakcie przełączania może zaistnieć konfiguracja układu, w której testowany układ scalony zostanie uszkodzony. Polaryzacja napięć zasilających powinna być dodatnia (tak jak dla badania n-mos). Podłączyć amperomierz do gniazda I ZS w celu pomiaru prądu zasilania inwertera. Podłączyć woltomierz do gniazda WY (wyjście inwertera). Przełącznik P1 ustawić w pozycji INW, a przełącznik P6 STT. Napięcie zasilania inwertera U1 (Output 1) ustawić na 10. Wykonać pomiary prądu zasilającego inwerter oraz napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego (teraz to ) w zakresie od 0 do 10. Zmieniając napięcie zasilacza 2 (Output 2) znaleźć taką wartość napięcia wejściowego, dla której prąd będzie największy. Na podstawie zebranych wyników wykreślić w sprawozdaniu zależność inwertera. Odczytać z wykresu napięcie wejściowe dla maksymalnej wartości prądu zasilania. Na podstawie zebranych wyników wykreślić w sprawozdaniu charakterystykę przejściową inwertera inwertera. Określić napięcie przełączania inwertera. Skomentować wyznaczone powyżej wartości napięć wejściowych. Katedra Elektroniki GH ver