Měření na unipolárním tranzistoru

Transkript

1 Měření na unipolárním tranzistoru Teoretický rozbor: Unipolární tranzistor je polovodičová součástka skládající se z polovodičů tpu N a P. Oproti bipolárnímu tranzistoru má jednu základní výhodu. Bipolární tranzistor potřebuje ke své činnosti výkon do bázového (v zapojení se společným emitorem) nebo emitorového (v zapojení se společnou bází) obvodu. Z principu funkce bipolárního tranzistoru plne, že primární veličinou ve vstupním obvodu je proud, který teče buď do báze (zapojení SE) nebo do emitoru (zapojení SB) bipolárního tranzistoru. To neumožňuje integrovat větší množství (řádově tisíce) bipolárních tranzistorů na jediném čipu, neboť vzniklé Jouleovo teplo není miniaturní čip schopen odvést. Bipolární tranzistor se proto používají zejména v analogových integrovaných obvodech, kde není tak vsoká hustota integrace, a v číslicových obvodech malé a střední hustot integrace. Pro obvod s vsokou hustotou integrace je potřeba tranzistor, jehož vstupním obvodem neteče proud (je řízený napětím, podobně jako elektronka). A to jsou tranzistor řízené polem, jinak nazývané FET (z anglického field effect transistor). Jejich princip je značně odlišný od principu bipolárního tranzistoru. Řídicí elektrodou tranzistorů tpu FET teče buď jen velmi malý proud ekvivalentní proudu diod v závěrném směru, nebo je tato řídicí elektroda izolovaná od řízeného obvodu vrstvičkou SiO, takže jí neteče praktick žádný proud (má odpor cca 10 1 Ω ). Existují dva druh unipolárních tranzistorů - JFET a MOSFET. MOS (Metal Oxid Semiconductor) Mezi elektrodou hradla a sauce je nutné vtvořit izolační vrstvičku v případě, že je izolační vrstva tvořená oxidem kovu, pak nese označení MOS. Struktura tranzistoru MOSFET: Hradlo je izolováno tenkou vrstvičkou izolantu, např. SiO. Jeho odpor je ted teoretick nekonečný, v praxi je řádu Ω. Struktura tranzistoru MOSFET V kusu polovodiče tpu N jsou dvě oblasti tpu P a t slouží jako elektrod S a D. Řídicí elektroda G je mezi těmito oblastmi a je izolována tenkou vrstvou SiO. Přiložíme-li nní na řídicí elektrodu dostatečně vsoké záporné napětí (avšak nikoliv tak vsoké, ab nastal elektrický průraz vrstvičk SiO ), vtvoří se na povrchu polovodiče tpu N v blízkosti hradla tzv. inverzní vrstva, tj. vrstva o opačné vodivosti, ted o vodivosti P a tato inverzní vrstva propojí obě oblasti tpu P (elektrod S a D) a mezi těmito elektrodami může procházet proud.

2 MOSFET po přiložení záporného napětí na řídící elektrodu Proč inverzní vrstva vzniká? Přiložíme-li na hradlo G záporné napětí vůči elektrodě S, vzniká elektrostatickou indukcí elektrické pole v izolační vrstvě SiO - kladný náboj ve vrstvě se hromadí v blízkosti hradla a záporný v blízkosti povrchu polovodiče. Tento záporný náboj opět indukuje hromadění kladného náboje v polovodiči. V blízkosti rozhraní oxid-polovodič ted vzniká v polovodiči tpu N vrstva ochuzená o elektron. Toto ochuzení o elektron může v polovodiči vést k vtvoření vrstv opačné vodivosti, než měl původní polovodič, ted tpu P; tato vrstva se proto nazývá inverzní vrstva. Obdobný efekt nastává, zvolíme-li základní materiál tpu P, elektrod S a D vtvoříme oblastmi tpu N a na hradlo G a elektrodu D budeme přikládat kladné napětí vůči elektrodě S. Podle toho, jaké vodivosti je inverzní vrstva, rozlišujeme tranzistor MOSFET s kanálem tpu N a s kanálem tpu P. Mnemotechnick si můžeme pamatovat, že polarita napětí na kolektoru bipolárního tranzistoru NPN v zapojení SE je stejná jako na elektrodě D tranzistoru MOSFET s kanálem tpu N, ted kladná vůči emitoru nebo elektrodě S, a naopak záporná vůči emitoru nebo elektrodě S, jedná-li se o tranzistor tpu PNP nebo MOSFET s kanálem tpu P. Proto se také často používá označení K nebo C pro elektrodu D a E pro elektrodu S; je však třeba si uvědomovat, že oba druh tranzistorů (bipolární a unipolární) pracují na zcela odlišných fzikálních principech. U výše popsaného tranzistoru MOSFET nepoteče proud I DS mezi elektrodami D a S, bude-li na elektrodě G nulové napětí vůči elektrodě S. Je to tím, že inverzní vrstva je indukována napětím na hradle tranzistoru, bez napětí inverzní vrstva neexistuje a tranzistor ted nevede. Říkáme, že se jedná o tranzistor MOSFET s indukovaným kanálem. Pracovní oblast napětí na hradle leží ted (pro MOSFET s indukovaným kanálem tpu P) v oblasti záporných napětí vůči elektrodě S. To je často výhoda, neboť nám v aplikaci stačí jeden zdroj napětí, ale nelze vzájemně zaměňovat tp MOSFET a JFET. Z tohoto důvodu bl vvinut ještě jeden druh tranzistorů tpu MOSFET, a sice MOSFET s technologick vtvořeným kanálem. MOSFET s technologick vtvořeným kanálem Jeho struktura se neliší podstatně od té, znázorněné na 3. obrázku, pouze při povrchu základního polovodiče u oxidové vrstvičk je technologick vtvořena tenká oblast vodivosti P, která slouží jako vodivý kanál mezi elektrodami S a D v případě, že na elektrodě G je nulové napětí vůči S. Tranzistor MOSFET s technologick vtvořeným kanálem ted vede proud I DS v případě, že na elektrodě G je nulové napětí. Je-li kanál technologick vtvořen, může tranzistor MOSFET pracovat ve dvou režimech, režimu obohacení a režimu ochuzení. Režim obohacení nastává při přiložení záporného napětí na elektrodu G, kd se elektrostatickou indukcí kanál dále rozšiřuje a ted ochuzuje o elektron a stává se vodivější. Režim ochuzení: Při přiložení kladného napětí na elektrodu G nastává opět elektrostatická indukce, ale s opačným efektem, technologick vtvořený kanál tpu P se obohacuje o elektron, jeho průřez 3

3 klesá, až při určitém dostatečně velikém kladném napětí U GS proud mezi elektrodami S a D klesne praktick na nulu, tranzistor se zavře. MOSFET v režimu obohacení MOSFET v režimu ochuzení Pracovní oblast tranzistoru MOSFET s technologick vtvořeným kanálem leží ted obecně v kladných i záporných napětích U GS, a je možno ji vhodným technologickým postupem posunout buď víc do oblasti kladných nebo víc do oblasti záporných napětí na hradle. Tranzistor MOSFET s technologick vtvořeným kanálem může proto sloužit jako ekvivalent tranzistoru JFET a ted i elektronk. Ab bl tranzistor MOSFET co nejcitlivější, mají velmi tenkou izolační vrstvičku. Ta může být snadno elektrick proražena. Výstupní charakteristik unip. T: Použití: Používá se podobně jako bipolární tranzistor (tj. např. zesilovače či spínače), oproti němu má tu výhodu, že je řízen napětím. Jiný příklad použití je v logických obvodech. Konkrétní zapojení obvodu realizujícího logickou funkci negace je uvedeno níže: Funkce obvodu: Není-li na vstupu žádné napětí (logická nula), je tranzistor zavřen, má velký odpor, neteče jím proud a na jeho výstupu je praktick celé napětí zdroje, ted logická 1. Je-li na vstupu napětí, je tranzistor otevřen, má malý odpor, ted je na něm malé napětí a ted na výstupu je logická nula. Zapojení obvodu NOT s unipolárním tranzistorem Značení: kolektor D (DRAIN ), emitor S (SOURCE), hradlo G (GATE) 4

4 1. Měření charakteristik, určování diferenciálních parametrů Admitanční rovnice: 1 = nemá smsl (vstupní proud neteče) = = při konst. U STRMOST 1 = při konst. U 1 VÝST.VODIVOST 1 r = VÝST. ODPOR Mezní a charakteristické hodnot MOS tranzistoru KF50: Mezní hodnot: Závěrné napětí C-E U CEMAX 30V Napětí řídící elektroda-emitor U GEMAX +70V (U CE = 15V) Ztrátový výkon P TOT 300mW Proud kolektoru I CMAX 30mA Charakteristické hodnot: Proud kolektoru I C 1 až 3mA (U CE = 10V, U GE = 0V) Strmost 1 > 300µS (U CE = 15V, I C = 5mA) Vstupní odpor R vst > Ω Prahové napětí U GET -1 až 5V 5

5 Tabulk: Výstupní charakteristik U GE [V] U CE [V] I C [ma] I C [ma] I C [ma] I C [ma] I C [ma] I C [ma] ,6 1,4 1,3 1 0,6 0, 3,5,8, 1,6 0,9 0,3 3 4,6 3,6,9 1,1 0,3 5 6,7 5,3 3,9,4 1,1 0,3 10 9,5 7 4,5,6 1, 0, ,3 7,3 4,6,6 1, 0,3 0 10,5 7,3 4,7,7 1, 0,3 30-7,4 4,8,8 1,3 0,3 Převodní charakteristik U CE = 15V U GET = - 10V U GE [V] I C [ma] 0,3 1,,6 4,6 7,3 10,3 Maximální kolektorová ztráta: U CE [V] I C [ma] 10 10,7 11,5 1, Příklad výpočtu: P TOT = U CE I C I C P = U TOT CE = = 10 ma 3 C, = = = = S 3 1 GE 3 C 0, 10 = = = =, 10-5 S CE r = = = 45 kω 5, 10 6

6 Zhodnocení: Po naměření hodnot a jejich vnesení do tabulek jsme bli schopni z grafu výstupních charakteristik a grafu převodní charakteristik vpočítat parametr = S, což ted odpovídá hodnotě udávané výrobcem v katalogu. Převodní charakteristika je pouze jedna, jelikož údaje vpočtené i naměřené se shodují a nelze ted barevně vznačit teoretickou charakteristiku od naměřené. 4 5 Admitační rovnice tranzistoru je: = , 10. Parametr Y může být obecně komplexní číslo a nejčastěji se v praxi určuje měřením nakrátko zprava a zleva. Graf: 7