1 VA-charakteristiky tranzistorů JFET a MOSFET. Úloha č. 7

Transkript

1 1 A-charakteristik tranzistorů JFET a MOSFET Úloha č. 7 Úkol: 1. Změřte A charakteristik unipolárního tranzistoru (JFET - BF245) v zapojení se společnou elektrodou S 2. JFET v zapojení se společnou elektrodou S jako zdroj proudu řízený napětím 3. Určete pro dané zapojení admitanční parametr Princip funkce unipolárního tranzistoru JFET Potřeba aktivního prvku v pevné fázi s vsokým vstupním odporem vedla k objevu a konstrukci tzv. tranzistorů řízených polem, jinak nazývaných FET (z anglického field effect transistor). Jsou to tranzistor, jejichž fzikální princip funkce je odlišný od principu, na kterém pracují bipolární tranzistor. 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 2, takže jí neteče praktick žádný proud (představuje ss odpor o velikosti cca ). Historick první vznikl tranzistor s izolovanou řídicí elektrodou (hradlem) a závěrně pólovaným přechodem PN, tzv. tranzistor JFET (junction FET). Princip funkce tohoto tranzistoru je naznačen na Obr.1. Obr. 1: Princip funkce unipolárního tranzistoru JFET Základem je polovodičová destička s nevlastní vodivostí tpu N opatřená na obou koncích neusměrňujícími přívodními kovovými kontakt a mají, ve srovnání s bipolárním tranzistorem, význam emitoru a kolektoru. o horní i dolní stěn základní destičk je vtvořena difúzí silně dotovaná vrstva obráceného tpu vodivosti (P+) nazvaná hradlo (Ggate). Obě části hradla jsou spolu vodivě spojen. Hradlo tvoří řídící elektrodu tranzistoru. Prostor mezi částmi hradla se nazývá kanál. Jsou-li hradlo G i drain spojen s elektrodou source S (U S =U GS = 0) vtvoří se v okolí hradla vprázdněná oblast A, která se nesmetrick rozšiřuje do oblasti N s nízkou dotací. Tloušťku vprázdněné oblasti je možno měnit napětím přiloženém k přechodu. Přiložíme-li ted mezi hradlo a source napětí U GS tak, ab přechod bl polarizován ve zpětném směru, můžeme obě vprázdněné oblasti rozšířit, čímž zúžíme vodivou část kanálu a zvětšíme jeho odpor. Přitom přívodem hradla neprochází téměř žádný proud (řádově pa). Při nulovém nebo velmi malém napětí U S je vprázdněná část kolem části hradla rovnoměrná a proud při vzrůstu U S se zvšuje lineárně. Při dalším zvšování napětí U S začíná kladné napětí připojené v místě drainu na kanál vodivosti tpu N působit jako předpětí HRALO- KANÁL ve zpětném směru a tím rozšiřovat vprázdněnou oblast. Toto rozšíření

2 je největší v blízkosti drainu, neboť napětí mezi kanálem a hradlem se v důsledku napěťového úbtku působeného proudem I ve směru od k S zmenšuje. ýsledkem je nerovnoměrné rozložení vprázdněné oblasti podél hradla. Při maximálním zúžení kanálu však stále prochází nascený proud I v důsledku velkého rozdílu potenciálů mezi S a a v důsledku průchodu nosičů podél siločar elektrického pole přechodu PN - nascená oblast (saturace). Z tohoto popisu vcházejí následující A charakteristik JFETu (Obr.2). I [ma] hranice saturace U sat U GS [] -10 U GS [] -10 Obr. 2: A-charakterisk JFETu U S [] Podobně jako u bipolárních tranzistorů používáme ke stanovení parametrů zesilovače malého signálu s tranzistorem JFET náhradního lineárního obvodu (NLO). K popisu je vhodné použít admitančních rovnic dvojbranu, jelikož soustava rovnic se zjednoduší pouze na jednu rovnici vzhledem k praktick nulovému proudu hradla I G. Soustava koeficientů se tak ze stavu nakrátko a naprázdno zjednoduší pouze na dva - 21S a 22S ( pro zapojení se společnou elektrodou S) Admitanční rovnice náhradního lineárního obvodu pro obecný dvojbran i 1 = 11 u u 2 i 2 = 21 u u 2 pro unipolární tranzistor i G = 11s u GS + 12s u S i = 21s u GS + 22s u S G u GS i G = 0 21 u G S 1/ 22 i u S S S Obr. 3: Náhradní lineární obvod Potom: efinuje přenosovou admitanci v přímém směru při výstupu I nakrátko, která se číselně rovná hodnotě změn výstupního 21S U GS proudu nakrátko při jednotkové změně vstupního napětí. USkonst. Označuje se jako strmost rozměr S, ma/ I efinuje přenosovou vodivost nakrátko a je rovna hodnotě 22S změn výstupního proudu při jednotkové změně výstupního U S UGS konst. napětí a vstupu nakrátko rozměr S. u GS i G G S i + u S

3 porovnání s bipolárními tranzistor mají unipolární tranzistor větší impedance,vžadují menší řídící příkon,ale mají rovněž menší výstupní výkon.pro aplikace např. v logických obvodech je tato okolnost výhodná. planárním provedení zaujímá JFET asi pět krát menší plochu než bipolární tranzistor a je ted vhodný pro velkou integraci. Strmost JFETů je menší než u bipolárních tranzistorů,což se projevuje nepříznivě při velmi rchlém zpracování informací (daná kapacita se nabíjí pomaleji), kde mají bipolární tranzistor lepší parametr.neobčejně velká vstupní impedance JFETů umožňuje speciální aplikace a relativně malá teplotní závislost umožňuje pracovat i při velmi nízkých teplotách. Šum JFETů je u středních frekvencí menší než šum bipolárních tranzistorů. Princip funkce unipolárního tranzistoru MOSFET indukovaným kanálem Tranzistor je tvořen základní destičkou polovodiče jednoho tpu (například P) s nízkou koncentrací příměsí, do které jsou vtvořen dvě elektrod druhého tpu (N+), tvořené velkou koncentrací příměsí. S a, takže nejsou propojen. Na destičce je oxidací vtvořena nevodivá vrstva, na níž je napařena hliníková vodivá elektroda G. Protože je řídící elektroda izolována, vstupní odpor tranzistoru je obrovský ( Ω). ůležité je že izolační vrstva pod řídící elektrodou je velmi tenká a prorazí ji napětí už od několika desítek voltů, takže při práci s těmito tranzistor je zapotřebí zabránit vzniku statické elektřin. Tranzistor se dodávají se zkratovanými vývod a pracuje se na vodivé uzemněné podložce. Obr. 4: Struktura MOSFET

4 Obr. 5: Princip funkce unipolárního tranzistoru MOSFET Princip tranzistoru s indukovaným N kanálem. Ostatní tp tranzistoru fungují analogick. Napětím mezi Gate a Source ovlivňujeme vodivost tzv. kanálu mezi elektrodami Source a rain, ted "otevíráme/zavíráme" tranzistor. Pokud mezi Gate a Source není přivedeno žádné napětí kvůli závěrné polarizaci jednoho z přechodů -B nebo B-S mezi Sourcem a rainem nemůže protékat žádný proud (ted téměř žádný, ve skutečnosti cca jednotk na). Odporová oblast Pro malá napětí U S (cca do 1) funguje tranzistor jako napětím řízený odpor. Toho si můžete všimnout na výstupní A charakteristice. blízkosti počátku souřadného sstému (v blízkosti nul) jsou pro všechna U GS křivk téměř lineární (rovné). A přímka ve A charakteristice odpovídá právě rezistoru. Její sklon (a ted i odpor kanálu mezi elektrodami S a ) je řízen právě napětím U GS. Přivedením napětí mezi elektrod G a Su (Su je vodivě spojen s S) se vlivem elektrického pole začnou přitahovat elektron ze substrátu tpu P směrem k elektrodě Gate. ír se přesunou směrem opačným. Zjednodušeně řečeno se tím oblast substrátu pod Gate přemení z tpu polovodiče P na tp N (inverzní oblast). Což vtvoří vodivý kanál mezi elektrodami Source a rain. Napětí U GS, při kterém se vtvoří kanál se nazývá prahové a značí se U T (obvkle 1 až 3). Toto platí pro MOSFET s indukovaným N kanálem. Pro větší napětí U S (cca od 1 do 3) tto úsečk přecházejí v křivk. K tomu dochází proto, že kanál není ovlivňován už jen elektrickým polem způsobeným napětí U GS, ale i polem způsobeným napětím U S. odivý kanál se ted začne rozšiřovat v oblasti u elektrod Source a naopak zužovat v oblasti u elektrod rain. Tomuto zužování se říká zaškrcování kanálu. Oblast saturace Pro všší hodnot U S (cca od 3) přechází charakteristik opět do lineárních úseček. Tomuto místu odpovídají ve výstupních A charakteristikách tzv. bod zaškrcení kanálu vznačené červeně. Proud se s rostoucím napětím U S již téměř nezvšuje. alší zvšování proudu je způsobené již jen jevem zvaným modulace délk kanálu.

5 US Charakteristické je vějířovité rozevření těchto úseček, které popisuje parametr lambda odpovídající Earlmu napětí u bipolárních tranzistorů. ošlo k tzv. zaškrcení kanálu vlivem působícího el. pole způsobeného napětím U S. Pro použití tranzistoru MOSFET jako zesilovače signálu se používá oblast saturace. o této oblasti se tranzistor dostane pro U S větší než je (U GS - U T ). 1.2 Pokn pro měření JFET: UGS I A 1k UCC Omezení: I max = 10mA ; U Smax = 10 Poznámka: odivý kanál tranzistoru je plně otevřen při nulovém předpětí na elektrodě G(I = max); Přivedením záporného předpětí na elektrodu G se vodivost kanálu zmenšuje. Elektroda G musí být proti elektrodě vžd záporná Obr.6: Zapojení pro měření 1. ýstupní charakteristika I = f(u S ) / při U GS = konst. a) Nastavte napájecí napětí U CC tak, ab U S blo 10 b) Napětí U GS zvětšujte až do zániku proudu I. Toto napětí může být cca 3-5 podle tpu tranzistoru. Zjištěné napětí rozdělte na 4 úrovně tak, ab hodnot odpovídal čtřem charakteristikám s přibližně stejnou vzdáleností v grafu. ěnujte pozornost správné polaritě všech napětí!! c) Pro takto určené hodnot U GS proměřte jednotlivé charakteristik, hodnot zapište do tabulk a zakreslete je do grafu. d) průběhu měření kontrolujte stabilitu nastaveného U GS. 2. Převodní charakteristika I = f(u GS ) / při U S = konst. (zdroj proudu řízený napětím-stejné zapojení jako v 1.) a) Nastavte U S = 5 a udržujte toto napětí konstantní. b) Napětí U GS zvětšujte, nejlépe po úrovních určených v předchozí úloze. c) Naměřené hodnot zapište do tabulk a vneste do grafu. d) Totéž proveďte pro U S = 3 3. Admitanční parametr NLO Ze změřených charakteristik určete admitanční parametr náhradního lineárního obvodu. Přenosová admitance strmost S, ma/ ýstupní vodivost S 21S I U GS USkonst. 22S I U S UGS konst.

6 US 1.3 Pokn pro měření MOSFET s indukovaným kanálem tp N: UGS I A 1k UCC Omezení: I max = 10mA ; U Smax = 10 Poznámka: Tranzistor je plně otevřen při napětí na řídící elektrodě G= 4(I = max); Snižováním předpětí na elektrodu G se vodivost kanálu zmenšuje. Elektroda G má být proti elektrodě kladná Obr.7: Zapojení pro měření 1. ýstupní charakteristika I = f(u S ) / při U GS = konst. e) Nastavte napájecí napětí U CC tak, ab při U GS =4 blo U S= 10 f) Napětí U GS snižujte předpětí až do zániku proudu I. Toto napětí může být cca 1 až 2,5 podle tpu tranzistoru. Zjištěné napětí rozdělte na 4 úrovně tak, ab hodnot odpovídal čtřem charakteristikám s přibližně stejnou vzdáleností v grafu. ěnujte pozornost správné polaritě všech napětí!! g) Pro takto určené hodnot U GS proměřte jednotlivé charakteristik, hodnot zapište do tabulk a zakreslete je do grafu. h) průběhu měření kontrolujte stabilitu nastaveného U GS. 2. Převodní charakteristika I = f(u GS ) / při U S = konst. (zdroj proudu řízený napětím-stejné zapojení jako v 1.) e) Nastavte U S = 5 a udržujte toto napětí konstantní. f) Napětí U GS zvětšujte, nejlépe po úrovních určených v předchozí úloze. g) Naměřené hodnot zapište do tabulk a vneste do grafu. h) Totéž proveďte pro U S = 3 3. Admitanční parametr NLO Ze změřených charakteristik určete admitanční parametr náhradního lineárního obvodu. Přenosová admitance strmost S, ma/ ýstupní vodivost S 21S I U GS USkonst. I = f(u S ) / při U GS = konst.

7