Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUIA ZIENNE W-10 LABORATORIUM PRZYRZĄÓW PÓŁPRZEWONIKOWYCH Ćwiczenie nr 4 Badanie tranzystorów unipolarnych typu JFET i MOSFET I. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania: - budowa i zasada działania tranzystorów unipolarnych złączowych, JFET - charakterystyki statyczne, wyjściowe i przejściowe, tranzystorów JFET - stany powierzchniowe w strukturze MOS: akumulacja, zubożenie, inwersja - budowa i zasada działania tranzystorów MOSFET - charakterystyki statyczne, wyjściowe i przejściowe, tranzystorów MOSFET - parametry małosygnałowe tranzystorów unipolarnych II. Program zajęć - pomiar charakterystyk wyjściowych i przejściowych tranzystorów JFET - pomiar charakterystyk wyjściowych i przejściowych tranzystorów MOSFET - wyznaczenie wybranych statycznych i małosygnałowych dynamicznych parametrów elektrycznych mierzonych tranzystorów III. Literatura A. Świt, J. Pułtorak - Przyrządy półprzewodnikowe W. Marciniak - Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone Wykład Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisów BHP związanych z obsługą urządzeń elektrycznych.
IV. WIAOMOŚCI WSTĘPNE 1. Nazewnictwo i systematyka tranzystorów unipolarnych 2 Klasyfikację tranzystorów unipolarnych (nazywanych też polowymi) przedstawiono na Rys.1. TRANZYSTOR POLOWY ( FET) złączowy ( JFET ) z izolowaną bramką IGFET ze złączem p-n ( PNFET ) ze złączem metal półprz. ( MESFET) z izolacją tlenkową ( MOSFET ) cienkowarstwowy ( TFT ) z kanałem zubażanym inaczej: wbudowanym - jak ( epleted ) z kanałem wzbogacanym inaczej: indukowanym - E jak ( Enhanced ) z kanałem typu n nośniki ładunku - elektrony z kanałem typu p nośniki ładunku - dziury Rys. 1. Przykładowa klasyfikacja tranzystorów unipolarnych (polowych) FET - tranzystor polowy (Field Effect Transistor) JFET - tranzystor polowy złączowy (Junction Field Effect Transistor) PNFET - tranzystor polowy ze złączem p-n MESFET - tranzystor polowy ze złączem Schottky ego (MEtal Semiconductor Field Effect Transistor) IGFET - tranzystor polowy z izolowaną bramką (Insulated Gate Field Effect Transistor) MISFET - tranzystor polowy z izolowaną bramką (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) MOSFET - tranzystor polowy z izolowaną bramką, izolatorem jest dwutlenek krzemu (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) TFT - tranzystor cienkowarstwowy (Thin Film Transistor). 2. Zasada działania tranzystorów polowych. W przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych, których działanie zależy od dwóch rodzajów nośników ładunku (i dziur i elektronów), w tranzystorze unipolarnym (polowym) o przepływie prądu decyduje tylko jeden rodzaj nośników i są to albo dziury albo elektrony. 2.1. Złączowy tranzystor polowy (JFET) Na Rys.2.a przedstawiono model struktury tranzystora polowego złączowego ze złączem p-n o symetrii osiowej, przydatną do wyjaśnienia zasady działania przyrządu,
3 a na Rys.2.b symbole elektryczne tranzystorów z kanałem typu n i typu p oraz sposoby ich prawidłowej polaryzacji. Rys.2. Tranzystor polowy złączowy: a) struktura o symetrii osiowej, przydatna do objaśnienia zasady działania; b) symbole elektryczne tranzystorów i sposób ich prawidłowej polaryzacji. Elektrody tranzystorów polowych to: Źródło (Source), oznaczone literą S, jest elektrodą, z której wypływają nośniki ładunku do kanału. ren (rain), oznaczony literą, jest elektrodą, do której wpływają ( ściekają ) z kanału nośniki ładunku. Prąd drenu I, napięcie dren-źródło U S. Bramka (Gate), oznaczona literą G, jest elektrodą sterującą przepływem ładunków w kanale. Prąd bramki I G, napięcie bramka źródło U GS. Z powyższej definicji elektrod tranzystora wynika ogólna reguła: Źródło i dren tranzystora polowego powinny być spolaryzowane napięciem U S w taki sposób, aby umożliwić przepływ nośników większościowych przez kanał w kierunku od źródła do drenu. W tranzystorze z kanałem typu p od źródła do drenu przepływają dziury, a w tranzystorze z kanałem typu n od źródła do drenu przepływają elektrony. Złącze bramka kanał w obydwu typach tranzystorów musi być spolaryzowane w kierunku zaporowym napięciem U GS (U GS =0 to też polaryzacja zaporowa). Na Rys.3 przedstawiono przekroje podłużne struktury z Rys.2.a w warunkach różnej polaryzacji.
4 Rys.3 Przekroje osiowe struktury z rys.2a w warunkach różnej polaryzacji. Objaśnienia w tekście. Jednorodny obszar półprzewodnika występujący między drenem i źródłem stanowi kanał, przez który płynie prąd nośników większościowych i którego rezystancję można zmieniać poprzez zmianę jego przekroju. Zmianę przekroju kanału uzyskuje się przez rozszerzanie lub zawężanie warstwy zubożonej złącza p n, powodowane zmianą wartości napięcia U GS, polaryzującego złącze bramka kanał w kierunku zaporowym. Rys.3.a przedstawia sytuację przy braku polaryzacji struktury; U GS =U S =0. Na skutek bardzo dużej różnicy koncentracji domieszek w złączu p + n obszar zubożony wnika głównie do półprzewodnika typu n. Pod wpływem wzrostu napięcia U GS, polaryzującego złącze p + n zaporowo, obszar zubożony rozszerza się tak, jak to pokazano na Rys.3.b, powierzchnia przekroju kanału tym samym zmniejsza się, więc jego rezystancja rośnie. alsze zwiększanie wartości napięcia U GS w kierunku zaporowym spowoduje, że warstwa zubożona całkowicie zamknie kanał, a rezystancja kanału będzie bardzo duża.
5 Wartość napięcia U GS, przy którym kanał zostanie zamknięty nazywa się z definicji napięciem odcięcia U p (pinch-off). Można więc stwierdzić, że w tych warunkach tranzystor JFET jest dla napięcia U S bliskiego zeru (U S @0) pewnego rodzaju rezystorem sterowanym napięciowo. Rezystancja kanału może zmieniać się od kilkudziesięciu omów przy U S»0 do gigaomów w warunkach zamknięcia. Przedstawiony wyżej przy pomocy Rys.3.a i 3.b opis działania tranzystora nie jest ścisły, gdyż nie uwzględnia wpływu napięcia U S. Na Rys.3.c i 3.d przedstawiono sytuację, gdy napięcie U S >0 doprowadzone jest pomiędzy dren i źródło, przy zachowaniu zerowego potencjału bramki. Jak widać na Rys.3.c, w pobliżu drenu warstwa zubożona jest szersza niż w pobliżu źródła. Jest to spowodowane tym, że złącze p n wzdłuż kanału jest polaryzowane rosnącą wartością napięcia. o ustalonego napięcia U GS dodaje się wewnętrzny spadek napięcia na rezystancji kanału wywołany przepływem prądu I, występujący między danym, bieżącym punktem kanału a źródłem S. alszy wzrost napięcia U S do wartości U p sprawi, że warstwa zubożona rozszerzy się w okolicy drenu aż do zamknięcia kanału, co spowoduje stan nasycenia prądu I. W takiej sytuacji dalszy wzrost napięcia U S nie będzie wywoływał praktycznie dalszego wzrostu prądu drenu I, gdyż warstwa zubożona będzie się rozszerzała w kierunku źródła, a wzrost spadku napięcia w kanale będzie odkładał się na jego zamkniętej części Rys.3.e. Biorąc pod uwagę Rys.3.a i 3.b należy oczekiwać, że analogiczne zjawiska będą zachodziły i dla innych wartości napięć U GS z zakresu 0 Ł U GS Ł U p. Na Rys.4 przedstawiono przekrój dyskretnego tranzystora JFET wykonanego metodą epitaksjalno-dyfuzyjną w podłożu krzemowym typu p. Rys. 4. Uproszczona konstrukcja planarnego tranzystora polowego JFET z kanałem typu n. Uwaga: połączenie elektryczne podłoża typu p struktury z bramką powoduje równoległe dołączenie, do już istniejącej, dodatkowej bramki, którą stanowi złącze podłoże kanał.
6 2.2. Tranzystor polowy z izolowaną bramką MOSFET. Konstrukcje tranzystorów MOSFET zgodnie z klasyfikacją, przedstawioną na Rys.1. można podzielić na dwie grupy: ü Typu E (Enhanced) E-MOSFET z kanałem wzbogacanym czyli indukowanym lub normalnie wyłączony dla zerowej polaryzacji bramki kanał nie istnieje i prąd drenu nie płynie. ü Typu (epleted) -MOSFET z kanałem zubażanym lub normalnie załączony posiadają wbudowany kanał przewodzący i dla zerowej polaryzacji bramki prąd drenu może płynąć. Zasadę działania tranzystora MOSFET można wyjaśnić korzystając z Rys.5, na którym przedstawiono uproszczone przekroje struktury tranzystora z indukowanym kanałem typu n w warunkach różnej polaryzacji. Rys.5. Przekroje uproszczonej struktury tranzystora E MOSFET z indukowanym kanałem typu n w warunkach różnej polaryzacji. Objaśnienia w tekście. Rys.5.a obrazuje sytuację, gdy polaryzacja drenu i bramki jest zerowa (U S =0 i U GS =0). W takim przypadku, struktura złożona z dwóch obszarów półprzewodnika typu n + (dren i źródło), rozdzielonych półprzewodnikiem typu p (podłoże), tworzy dwa złącza n + p i p n + połączone ze sobą szeregowo przeciwsobnie. Obszar podłoża, typu p, jest wspólną anodą dla złącz: S podłoże i podłoże. Obszar zubożony obu złącz wnika znacznie bardziej w półprzewodnik o mniejszej koncentracji domieszki, a więc w
7 podłoże. W takiej sytuacji brak jest możliwści przepływu nośników pomiędzy drenem i źródłem. Źródło S i podłoże B są zwarte ze sobą i stanowią punkt odniesienia do określania potencjałów drenu i bramki G. Na kolejnym Rys.5.b pokazano sytuację, gdy bramka spolaryzowana jest dostatecznie dużym napięciem U GS >0 tak, aby umożliwić przepływ prądu drenu. odatni ładunek tak spolaryzowanej bramki indukuje pod powierzchnią półprzewodnika ładunek przestrzenny, który składa się z przyciągniętych polem elektrycznym bramki elektronów (tzw. warstwa inwersyjna) i głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów akceptorowych, z której tym samym polem wypchnięte zostały dziury. W takiej sytuacji, dzięki utworzeniu warstwy inwersyjnej typu n, zostaje dokonane połączenie elektryczne właśnie ta warstwa stanowi przewodzący kanał między źródłem (S) a drenem () (powstaje struktura: n + (S) kanał(n) n + ()). Wartość napięcia bramki U GS, przy którym kanał zostanie utworzony nazywa się z definicji napięciem progowym U T (Threshold). Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale, a więc przede wszystkim od napięcia U GS. Jeżeli teraz zostanie podwyższony potencjał drenu, U S >0 (tak jak pokazano na Rys.5.c), to popłynie prąd drenu I tym większy im większe będzie napięcie U S. Zależność prądu drenu I od napięcia drenu U S nie jest jednak liniowa. Jest to spowodowane tym, że spadek napięcia wzdłuż kanału, wywołany płynącym przez niego prądem, zmienia stan polaryzacji bramki wzdłuż jej długości. Im bliżej drenu tym różnica potencjałów między bramką a kanałem jest mniejsza, a kanał płytszy. Ze wzrostem wartości U S całkowita rezystancja kanału rośnie i wzrost wartości prądu drenu nie jest proporcjonalny do wzrostu napięcia. Przy U S =(U GS U T ) kanał w pobliżu drenu przestaje istnieć i prąd drenu ulegnie nasyceniu. Przy dalszym wzroście potencjału na drenie punkt zamknięcia kanału będzie przesuwał się w kierunku źródła. Taka sytuacja przedstawiona jest na Rys.5.d. Wzrost napięcia drenu U S powyżej wartości napięcia bramki będzie powodował więc tylko bardzo nieznaczny wzrost wartości prądu drenu I. 3. Charakterystyki statyczne tranzystorów unipolarnych. Charakterystyki statyczne tranzystorów unipolarnych są przedstawiane zazwyczaj w postaci dwóch rodzin: - charakterystyk wyjściowych I =f(u S ) dla U GS =const. - charakterystyk przejściowych I =f(u GS ), dla U S =const.
8 Ogólne cechy tych charakterystyk zostaną przeanalizowane na przykładzie tranzystora polowego złączowego. Podstawowe rodziny charakterystyk tranzystora JFET z kanałem typu n pokazano na Rys.6 i tak: - na Rys.6.a rodzinę charakterystyk wyjściowych: f ( ) I = przy U GS =const, U S - na Rys.6.b rodzinę charakterystyk przejściowych: f ( ) I = przy U S =const. U GS a) b) Rys.6. Rodziny charakterystyk a.) wyjściowych i b.) przejściowych tranzystora JFET z kanałem typu n Należy zauważyć, że charakterystykę przejściową można wyznaczyć z charakterystyki wyjściowej; jak? (praca własna). W złączowym tranzystorze unipolarnym natężenie prądu drenu I dla U S =const. w zakresie nasycenia prądu drenu (patrz: charakterystyka przejściowa) można opisać zależnością: I ć = I SS ç1- č U U GS p ö ř 2 gdzie: I SS wartość prądu w zakresie nasycenia dla U GS =0, U p napięcie odcięcia kanału, czyli napięcie polaryzacji bramki U GS, przy którym obszary ładunku przestrzennego zamykają kanał i wartość I =0. Podstawowe rodziny charakterystyk tranzystorów unipolarnych MOS z kanałem typu n wzbogacanym pokazano na Rys.7, a zubożanym na Rys.8.
9 a) b) Rys.7. Charakterystyki: a) wyjściowe i b) przejściowa tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką i kanałem wzbogacanym typu n. a) b) Rys.8. Charakterystyki: a) wyjściowe i b) przejściowa tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką i kanałem zubażanym typu n Jak widać charakterystyki tranzystorów z izolowaną bramką jakościowo są podobne do charakterystyk JFET-a. Tranzystory unipolarne złączowy i MOSFET ze zubożanym kanałem (normalnie załączony) zazwyczaj używane są w układach wzmacniających. Tranzystory z izolowaną bramką z kanałem wzbogacanym (normalnie wyłączony) stosuje się głównie w układach przełączających oraz wzmacniaczach mocy. Podobnie jak poprzednio dla tranzystora złączowego charakterystykę wyjściową tranzystora MOSFET można podzielić na dwie części: obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy). W obszarze nasycenia tranzystor polowy zachowuje się jak bardzo dobry element transkonduktancyjny, tzn. taki, dla którego prąd I jest praktycznie stały dla różnych napięć U S. Natomiast dla małych wartości U S, czyli w obszarze nienasycenia, zachowuje się on jak rezystor, tzn. prąd I jest proporcjonalny do
10 napięcia U S. Oczywiście dla obu obszarów prąd drenu I jest funkcją napięcia bramka źródło U GS, a ściślej rzecz biorąc jest funkcją różnicy (U GS U T ), gdzie U T (Threshold próg) jest napięciem progowym, czyli takim, przy którym zostaje zainicjowany kanał. Obszar liniowy, w którym prąd drenu jest proporcjonalny do U S, rozciąga się od U S =0V do U S = U Ssat. Na prawo od U S = U Ssat charakterystyki prądu drenu I biegną prawie poziomo. W obszarze liniowym nachylenie charakterystyki, czyli I /U S, jest proporcjonalne do (U GS U T ). Napięcie dren źródło, dla którego następuje przejście do obszaru nasycenia jest równe U Ssat =(U GS U T ). W efekcie daje to proporcjonalność prądu nasycenia drenu I (sat) do (U GS U T ) 2, czyli kwadratową zależność prądu drenu od napięcia sterującego. Bardziej ogólne równania prądu drenu tranzystora polowego można przedstawić przy pomocy poniższych wzorów: - dla obszaru liniowego: - dla obszaru nasycenia: I = b ë 2 é U ů ę( U - ) - S GS UT U S ú ű ( U U ) 2 I = b GS - 2 gdzie: b jest współczynnikiem materiałowo konstrukcyjnym; U T - napięcie progowe bramka-źródło (U GS ), przy którym zaczyna powstawać kanał, a w rzeczywistości napięcie, przy którym prąd drenu osiąga określoną normatywnie wartość, np.10ma. Jeżeli różnicę (U GS U T ) nazwie się wysterowaniem bramki, to można stwierdzić, że: - w obszarze nienasycenia (liniowym) rezystancja kanału jest odwrotnie proporcjonalna do wysterowania bramki, - granicą obszaru liniowego jest linia, dla której napięcie dren-źródło jest równe wysterowaniu bramki: U S =(U GS - U T ), - prąd nasycenia drenu jest proporcjonalny do kwadratu wysterowania bramki. Należy zauważyć, że zależność prądu drenu od napięcia sterującego U GS jest kwadratowa, tzn. charakterystyka przejściowa jest fragmentem paraboli. Przekroczenie dopuszczalnych napięć U GSmax lub U Smax spowoduje wystąpienie przebicia i uszkodzenie tranzystora. W złączowych tranzystorach unipolarnych przebicie następuje w złączu bramka-kanał. W tranzystorach z izolowaną bramką może wystąpić przebicie warstwy izolacyjnej między bramką i kanałem. Przy dostatecznie dużym T 2
11 napięciu zostaje przekroczona wytrzymałość dielektryczna warstwy, co powoduje punktowe jej zniszczenie. Następuje wówczas trwałe uszkodzenie tranzystora. Na Rys.9. przedstawiono uproszczony przekrój struktury tranzystora E MOSFET z kanałem typu p stosowanej w układach scalonych. Widoczne jest zwarcie źródła z podłożem. Rys.9. Przykładowa konstrukcja tranzystora E MOSFET (unipolarnego z izolowaną bramką) z kanałem wzbogacanym (indukowanym) typu p. 4. Parametry i model zastępczy tranzystorów unipolarnych dla małych sygnałów prądu zmiennego Z omówionymi charakterystykami wiążą się parametry dynamiczne tranzystorów unipolarnych. W zakresie małych częstotliwości prądu zmiennego dla małych amplitud sygnału definiuje się konduktancję przejściową g m i konduktancję wyjściową g ds. : g g ds m did = dla U S = const du gs did = dla U GS = const du ds Wartości parametrów g m i g ds zależą od warunków polaryzacji, tzn. od wartości stałego napięcia bramka - źródło U GS i wartości prądu drenu I (punkt pracy). Na podstawie tych parametrów można przedstawić uproszczony schemat zastępczy tranzystora polowego dla zakresu małych częstotliwości, który pokazano na Rys.10.
12 Rys.10. Schemat zastępczy tranzystora unipolarnego dla zakresu małych częstotliwości Wzmocnienie napięciowe, tranzystora polowego w układzie ze wspólnym źródłem (przy założeniu R obc < 1/g ds ) dane jest wzorem: Ku = - gm Robc gdzie: R obc zewnętrzna rezystancja obciążenia dołączona do wyjścia V. Program ćwiczenia 1. Pomiar rodziny charakterystyk wyjściowych I =f(u S ), dla co najmniej pięciu napięć U GS, dla tranzystora JFET. 2. Pomiar rodziny charakterystyk wyjściowych I =f(u S ), dla co najmniej pięciu napięć U GS, dla tranzystora MOSFET. 3. Pomiar charakterystyk przejściowych I =f(u GS ) dla tranzystora JFET i dla tranzystora MOSFET dla jednej wartości napięcia U S w zakresie nasycenia prądu I. Uwaga: Jeżeli brak czasu nie pozwoli na dokończenie tego pomiaru należy charakterystyki przejściowe wykreślić na podstawie zmierzonych charakterystyk wyjściowych. 4. Z charakterystyk wyznaczyć następujące parametry tranzystorów: - I SS, U p dla JFETa oraz U T, dla MOSFETa - g m oraz g ds w punkcie pracy, dla zakresu nasyconych charakterystyk wyjściowych - G S =I /U S - konduktancję kanału otwartego (zakres liniowy charakterystyk wyjściowych) dla ustalonego napięcia U GS (prądu I ). 5. okonać porównania obliczonych parametrów dla zmierzonych tranzystorów JFET i MOSFET z ich parametrami katalogowymi.
13 5.1 Przebieg ćwiczenia Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych można wykonać przy pomocy programu komputerowego Rejestrator XY lub metodą tzw. techniczną czyli odczytu danych z mierników punkt po punkcie. O sposobie wykonywania pomiarów decyduje prowadzący. Obsługa programu Rejestrator X-Y opisana jest w odatku na stronie http://156.17.46.1/lpp Przed przystąpieniem do pomiarów sprawdzić typ (rodzaj kanału) mierzonych tranzystorów, parametry katalogowe i dobrać odpowiednią polaryzację elektrod. W czasie pomiaru należy zwrócić uwagę na to, aby moc wydzielana w tranzystorach, prąd drenu I, napięcie źródło-dren U S nie przekroczyły dopuszczalnych wartości. W tym celu należy ustawić ograniczenia prądowe na zasilaczach zgodnie z danymi podanymi w dodatku B. We wszystkich pomiarach jako zasilacz napięciowy stosować zasilacz podwójny Agilent E3649A lub E3631A, a do pomiarów odpowiednich prądów i napięć stosować mierniki HP34401A. Przed pomiarami sprawdzić, które z nich podłączone są do komputera. Mierniki mierzące prąd ustawić w trybie pomiaru prądu AUTO. 5.1.1. Pomiar charakterystyk wyjściowych tranzystora JFET Zmontować układ pomiarowy według schematu z Rys. 11. Przed wykonaniem pomiaru ustawić ograniczenie prądowe zasilacza obwodu wejściowego na poziomie 5mA, a zasilacza obwodu wyjściowego z narostem napięcia - 30mA. Wykonać serię pomiarów dla co najmniej pięciu wartości napięcia U GS (tak aby uzyskać zatkanie tranzystora, I»0) dla U S zmieniającego się od 0 do 10V. la pierwszej serii pomiarowej ustawić U GS =0V (odłączyć przewody od zasilacza napięciowego i połączyć ze sobą). Jeżeli pomiary wykonujemy przy pomocy komputera, to odpowiednio (zgodnie z instrukcją obsługi Rejestratora X-Y ) nazywamy mierniki w obwodzie wyjściowym, a prędkość narostu napięcia w zasilaczu z narostem napięcia ustawiamy na 30s. Po wykonaniu pomiaru drukujemy uzyskane charakterystyki wyjściowe (wydruk podpisujemy nazwiskami studentów w grupie). Z uzyskanych charakterystyk wyjściowych wyznaczamy parametry małosygnałowe g m i g ds w punkcie pracy wskazanym przez prowadzącego. Jeżeli natomiast pomiary wykonujemy metodą techniczną, to wyniki zapisujemy w tabelce, a na ich podstawie na papierze milimetrowym wykreślamy uzyskane charakterystyki.
14 5.1.2. Pomiar charakterystyk przejściowych tranzystora JFET Zmontować układ pomiarowy według schematu z Rys.12 (zwrócić uwagę na zmianę położenia mierników obsługiwanych przez komputer w stosunku do układu na Rys.11). Przed wykonaniem pomiaru ustawić ograniczenie prądowe zasilacza z narostem napięcia na poziomie 5mA, a zasilacza obwodu wyjściowego - 30mA. Wykonać serię pomiarów dla jednej wartości napięcia U S (np. 5V) przy U GS zmieniającym się od 0 do ok. 5V. Jeżeli pomiary wykonujemy przy pomocy komputera, to odpowiednio (zgodnie z instrukcją obsługi Rejestratora X-Y ) nazywamy mierniki w obwodzie wyjściowym, a prędkość narostu napięcia w zasilaczu ustawiamy na 30s. Po wykonaniu pomiaru drukujemy uzyskane charakterystyki wyjściowe (wydruk podpisujemy nazwiskami studentów w grupie). Rys. 11. Schemat układu do pomiaru charakterystyk: wyjściowej tranzystora unipolarnego złączowego Rys. 12. Schemat układu do pomiaru charakterystyk: przejściowej tranzystora unipolarnego złączowego
15 5.1.3. Pomiar charakterystyk przejściowych tranzystora MOSFET normalnie wyłączonego z kanałem typu n. Zmontować układ pomiarowy według schematu z Rys.13. Przed wykonaniem pomiaru ustawić ograniczenie prądowe zasilacza z narostem napięcia na poziomie 5mA, a zasilacza napięciowego obwodu wyjściowego - 100mA. Ustawić na zasilaczu napięciowym obwodu wyjściowego wartość napięcia U S =5V lub 10V i wykonać pomiar przy napięciu U GS zmieniającym się od zera do 16V. Jeżeli pomiary wykonujemy przy pomocy komputera, to odpowiednio (zgodnie z instrukcją obsługi Rejestratora X-Y ) nazywamy mierniki w obwodzie wyjściowym, a prędkość narostu napięcia w zasilaczu ustawiamy na 30s. Po wykonaniu pomiaru drukujemy uzyskane charakterystyki wyjściowe (wydruk podpisujemy nazwiskami studentów w grupie). Uwaga: odczytać z wykresu wartość napięcia progowego U T i oszacować jak powinna zmienić się wartość napięcia U GS aby zmienić prąd I od 0 do 100mA. 5.1.4. Pomiar charakterystyk wyjściowych tranzystora MOSFET normalnie wyłączonego z kanałem typu n. Zmontować układ pomiarowy według schematu z Rys.14. Przed wykonaniem pomiaru ustawić ograniczenie prądowe zasilacza obwodu wejściowego na poziomie 5mA, a zasilacza obwodu wyjściowego z narostem napięcia - 100mA. Wykonać serię pomiarów dla co najmniej pięciu wartości napięcia U GS tak aby wartość prądu nie przekraczała wartości 100mA dla napięcia U S zmieniającego się od 0 do 10V. Uwaga: Wartość napięcia U GS ze względu na parametry tranzystora ( sprawdzić katalogową wartość g m ) musi zmieniać się o bardzo małe wartości la pierwszej serii pomiarowej ustawić U GS =U T. Jeżeli pomiary wykonujemy przy pomocy komputera, to odpowiednio (zgodnie z instrukcją obsługi Rejestratora X-Y ) nazywamy mierniki w obwodzie wyjściowym, a prędkość narostu napięcia w zasilaczu ustawiamy na 30s. Po wykonaniu pomiaru drukujemy uzyskane charakterystyki wyjściowe (wydruk podpisujemy nazwiskami studentów w grupie). Z uzyskanych charakterystyk wyjściowych wyznaczamy parametry małosygnałowe g m i g ds w punkcie pracy wskazanym przez prowadzącego. Jeżeli natomiast pomiary wykonujemy metodą techniczną, to wyniki zapisujemy w tabelce, a na ich podstawie na papierze milimetrowym wykreślamy uzyskane charakterystyki.
16 Rys. 13. Schemat układu do pomiaru charakterystyk: przejściowej tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką z kanałem typu n. Rys. 14. Schemat układu do pomiaru charakterystyk: wyjściowej tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką z kanałem typu n. VI. Sprawozdanie Powinno zawierać: v Rodziny pomierzonych charakterystyk z opisami (jednostki!!!) v Wartości liczbowe (z jednostkami!!!) podstawowych parametrów zmierzonych tranzystorów: I SS, U p, U T wyznaczone na podstawie otrzymanych charakterystyk v Obliczenia i wartości liczbowe (z jednostkami!!!) obliczonych we wskazanym przez prowadzącego punkcie pracy parametrów tranzystora: g m, g ds v Wnioski: porównać wartości parametrów katalogowych mierzonych tranzystorów z wartościami wyznaczonymi po odpowiednich pomiarach.
VII. odatki OATEK A WYZNACZANIE PARAMETRÓW MAŁOSYGNAŁOWYCH ELEMENTÓW CZYNNYCH NA PRZYKŁAZIE TRANZYSTORA POLOWEGO. Tranzystory należą do grupy elementów elektronicznych sterowanych sygnałem elektrycznym. To sterowanie jest dość skomplikowanym procesem fizycznym (patrz na przykład początek tej instrukcji), zależnym od wielu czynników. la sygnału o zerowej częstotliwości (w praktyce o odpowiednio małej częstotliwości, f Ł100kHz) to sterowanie opisują charakterystyki statyczne, czyli zależności wiążące ze sobą prądy i napięcia na wejściu i wyjściu tranzystora. Ogólnie te zależności są skomplikowanymi i nieliniowymi, (co to znaczy?) funkcjami. Ale jak wiadomo z matematyki nieliniową funkcję y(x) w ograniczonej okolicy wybranego punktu można przybliżyć za pomocą różniczki, lub dla funkcji wielu zmiennych różniczką zupełną. y ( x + x x + x xn + xn» y x xn + x x x + x x x + + x xn x x x 1 1, 2 2,... ) ( 1... ) = 1 = 2... 1 2 = 1 2 n y Takie przybliżenie można zastosować do analizy właściwości tranzystora, gdy spolaryzowany odpowiednimi napięciami (punkt pracy) jest sterowany na wejściu sygnałem o małej amplitudzie i o małej częstotliwości, (dlaczego nie o dużej amplitudzie?). Znaczenie fizyczne wzoru podanego powyżej jest następujące: Wielkości x 1...x n opisują stałoprądowy punkt pracy. Wielkości x 1...x n opisują sygnał wejściowy. Pochodne cząstkowe y y... x x 1 n y y to małosygnałowe parametry tranzystora. Z tego wynika metoda wyznaczania małosygnałowych parametrów tranzystorów.: 1. Należy określić funkcje y(x 1...x n ) czyli poznać (zmierzyć, znaleźć w katalogu) charakterystyki statyczne tranzystora. Ponieważ są to funkcje wielu zmiennych zwykle graficznie przedstawiane są tak, że jedna zmienna jest zmienną bieżącą, a pozostałe mają wartość ustaloną. Matematycznie odpowiada to pojęciu funkcji z parametrem. 2. Wybrać punkt pracy tranzystora, czyli określić zbiór wielkości(x 1...x n ) 3. W wybranym punkcie określić przybliżone wartości pochodnych cząstkowych (parametrów) korzystając z przybliżenia: x n
y x n 18 y» x n ( x1.. xi.. xn-1) = const Jeśli tak określone parametry mają być użyteczne, wszystkie muszą być określone w okolicy tego samego punktu pracy, (dlaczego?). Ta metoda zostanie wyjaśniona na przykładzie tranzystora polowego. W tym tranzystorze prąd drenu I jest funkcją napięcia dren źródło U S i napięcia bramka - źródło U GS. I = f ( U S, U GS ) Graficznie te zależności przedstawia się w postaci charakterystyk wyjściowych I charakterystyk przejściowych I = f ( U S ) U = const GS I = f ( UGS ) U = const Parametry małosygnałowe, które można z nich określić, to konduktancja wyjściowa g S. i konduktancja wzajemna g m.. I S I 1 g ds =» UGS = const U S U S I I 2 g m =» U S = const UGS UGS Wielkości przyrostów po prawej stronie wzorów można odczytać z charakterystyk wyjściowych i przejściowych tranzystora w sposób pokazany na poniższym przykładzie. (Jakiego rodzaju tranzystor może mieć takie charakterystyki?) Rys.1. Sposób określania przyrostów prądów i napięć, niezbędnych do określenia parametrów małosygnałowych tranzystora na przykładzie charakterystyk BF245 obliczonych przy pomocy symulatora PSPICE.
19 OATEK B WYBRANE ANE KATALOGOWE TRANZYSTORÓW BF 245 I IRF520 Typ BF245B IRF520 Technologia Złączowy MOS Rodzaj Kanał typu n zubożany Kanał typu n wzbogacany Parametry graniczne Napięcie dren-źródło U Smax 30V 100V Prąd drenu I max 25mA 9.2A Napięcie bramka-źródło U GSmax -30V ±20V Moc strat P strmax 300mW 60W Parametry charakterystyczne Napięcie odcięcia U P 1,5...4,5V Napięcie progowe U T 2.0...4.0V Prąd drenu przy U GS =0 I SS 6..15mA 250mA Transkonduktancja g m 5mA/V 5A/V Rezystancja w stanie włączenia r dson 200W 0,27W Maksymalny prąd bramki I Gmax 5nA +/- 100nA Prąd drenu w stanie odcięcia I max 10nA 1mA Pojemność wejściowa C wes 4pF 350pF Pojemność wyjściowa C wys 1,6pF 130pF Pojemność zwrotna C ws 1,1pF 25pF Pole wzmocnienia f S 700MHz Czas włączenia t on 13ns Czas wyłączenia t off 70ns