1. Cel ćwiczenia

Zasadniczym celem ćwiczenia było wykreślenie charakterystyk wyjściowych i przejściowych tranzystorów JFET na podstawie punktowych pomiarów napięciowo-prądowych, wykresy te posłużą do wyznaczenia szeregu uprzednio zdefiniowanych parametrów małosygnałowych.

2. Wprowadzenie

Tranzystory polowe są to tranzystory, w których ma miejsce transport tylko jednego rodzaju nośników, tj. nośników większościowych (stąd nazwa tranzystory unipolarne), przy czym sterowanie prądu wyjściowego odbywa się za pomocą poprzecznego pola elektrycznego (stąd nazwa tranzystory polowe). Skrótowo tranzystory te nazywane są FET -ami (Field-Effect Transistor).

Tranzystory FET dzielimy na :

  • złączowe (JFET -ang. Junction Field-Effect Transistor),
  • z izolowaną bramką (IGFET -ang. Insulated Gain Field-Effect Transistor).

Tranzystory JFET wytwarza się z przewodników monokrystalicznych, mogą być ze złączem p-n PNFET lub ze złączem metal półprzewodnik MESFET. Tranzystory IGFET można wykonywać z półprzewodnika mono- lub polikrystalicznego, stąd MISFET , przy czym gdy funkcje izolatora spełnia SiO2 to nazwa MOSFET.

Sposób wykonania tranzystora polowego ze złączem p-n jest następujący. Na podłożu krzemowym typu p+ (dolna bramka) nanosi się warstwę epitaksjalną typu n (kanał), w której następnie wytwarza się metodą dyfuzji lokalnej warstwę p+ (górna bramka). Końcową operacją jest wykonanie kontaktów metalowych do warstw p+ (elektrody górnej i dolnej bramki) oraz do kanału typu n (elektrody źródła i drenu).

Struktura i sposób polaryzacji złączowego tranzystora polowego niesymetrycznego:

00029529.jpg 

3. Opracowanie wyników

Ad1.

Zmontowaliśmy układ pomiarowy według poniższego rysunku.

00029530.gif 

Ustawiliśmy napięcie UDS = 5 V i regulując potencjometrem napięcie UGS oszacowaliśmy napięcie progowe UP jako napięcie, przy którym prąd drenu wynosi 10μA. Następnie zmierzyliśmy i wykreśliliśmy charakterystyki iD = iD(uDS) dla kilku stałych wartości UGS.

Oszacowane napięcie Up = - 1,253 V

Wyniki pomiaru prądu drenu w funkcji napięcia dren - źródło przy stałym napięciu bramki:

UGS = 0 [V]

UGS = - 0,5 [V]

UGS = - 1 [V]

UDS [V]

ID [mA]

UDS [V]

ID [mA]

UDS [V]

ID [mA]

0,107

0,317

0,143

0,254

0,165

0,085

0,276

0,764

0,233

0,39

0,219

0,095

0,394

1,036

0,326

0,509

0,387

0,11

0,485

1,225

0,475

0,661

0,415

0,12

0,567

1,376

0,593

0,748

0,676

0,127

0,689

1,574

0,777

0,833

0,789

0,131

0,821

1,752

0,867

0,858

0,966

0,132

1,008

1,944

0,969

0,879

1,243

0,133

1,165

2,057

1,107

0,878

1,587

0,134

1,358

2,15

1,253

0,911

2,33

0,137

1,671

2,233

1,4

0,921

3,734

0,138

2,051

2,282

1,529

0,928

4,64

0,139

2,43

2,31

1,744

0,936

5,71

0,14

2,876

2,328

1,965

0,943

6,81

0,141

3,217

2,339

2,245

0,949

7,36

0,142

3,99

2,358

2,827

0,959

8,72

0,143

5,07

2,374

3,472

0,967



6,33

2,386

4,2

0,974



8,34

2,398

5,44

0,982



9,97

2,403

6,66

0,989





7,65

0,993





8,69

0,997





10,02

1,001



Charakterystyki iD = iD(uDS) najpierw zostaną wykreślone osobno dla lepszego zilustrowania wyglądu charakterystyki w zakresie liniowym, a następnie przedstawię je na wspólnym wykresie. Rysunki zamieszczam osobno na końcu sprawozdania.

Ad2.

Dla UDS = 5 V wykreślam charakterystykę przejściową jako funkcjęiD = f(uGS), która jest określona zależnością kwadratową:

00029531.gif 

Pierwiastkując obie strony równania otrzymamy wzór teoretyczny uzyskanego pomiaru:

00029532.gif 

Na podstawie wyprowadzonego wzoru i użytej metody regresji liniowej wyznaczam wartości parametrów IDSSUP. Wyznaczoną wartość UP wykorzystuję również do rozdzielenia zakresu liniowego i nasycenia na charakterystykach wyjściowych w układzie (iD,uDS).

Wyniki pomiaru:

UDS = 5 V

-UGS [V]

ID [mA]

ID [mA]

gm [s]

0,102

2,040

1,428

0,767

0,221

1,680

1,296

0,696

0,307

1,450

1,204

0,646

0,403

1,204

1,097

0,589

0,475

1,030

1,015

0,545

0,602

0,760

0,872

0,468

0,742

0,500

0,707

0,380

0,856

0,305

0,552

0,296

1,098

0,075

0,274

0,147

1,134

0,053

0,230

0,124

1,206

0,022

0,148

0,080

1,253

0,010

0,100

0,054

1,317

0,003

0,051

0,027

1,400

0,000

0,020

0,011

Otrzymane wyniki:

IDSS = 2,39 mA

UP = -1,35 V

Ad3.

Na podstawie wykresu uzyskanego w powyższym punkcie wyznaczam metodą graficzną przebieg funkcji gm= gm(uGS). Żeby to zrobić należy skorzystać z definicji transkonduktancji starając się upodobnić otrzymaną zależność do iD = f(uGS). Wyprowadzenie wzoru:

00029533.gif 

Jak łatwo zauważyć zachodzi zależność:

00029534.gif 

Korzystając z tego wzoru i wyliczonej wcześniej wartości iD w łatwy sposób wyznaczam szukany przebieg funkcji.

Ad4.

Zestawiliśmy układ według poniższego rysunku:

00029535.gif 

UDS = 5 V

-UGS [V]

ΔUDS [V]

gm [s]

0,351

0,229

0,652

0,522

0,298

0,571

0,762

0,316

0,415

0,984

0,273

0,277

1,161

0,167

0,144

1,330

0,097

0,073

1,435

0,065

0,045

Na wejście wzmacniacza podaliśmy z generatora napięcie piłokształtne o częstotliwości 1 kHz i wartości międzyszczytowej Ug= 200 mV, a następnie zmierzyliśmy na oscyloskopie wartość międzyszczytową napięcia wyjściowego ΔUDS, ponieważ ze zmian napięcia na oporniku 00029536.gif wynikały zmiany prądu drenu 00029537.gif. Wyniki otrzymane dla kilku wartości uGS z przedziału UPGS<0, pozwalają nam wyznaczyć bezpośrednio zależność: 00029538.gif

4. Wnioski

Tranzystory polowe są szeroko wykorzystywane we współczesnej elektronice. W przeprowadzonym ćwiczeniu mieliśmy okazję zbadać doświadczalnie charakterystyki wyjściowe i przejściowe tychże tranzystorów, a także obliczyć kilka istotnych parametrów.

Na początku wyznaczyliśmy napięcie progowe UP jako UGS , przy którym prąd drenu wynosił 10uA. Wartość tego napięcia była równa UP = -1,253 V. UP wyznaczone z charakterystyki przejściowej dało dosyć zbliżony rezultat, błąd mogło spowodować wiele czynników, jak błędy wynikające z klasy mierników, regresji liniowej, a także przyjęte uproszczenie liczenia prądu nasycenia bez uwzględniania modulacji długości kanału.

Następnie wyznaczyliśmy rodzinę charakterystyk wyjściowych i charakterystykę przejściową. Metodą graficzną rozdzieliliśmy zakresy liniowy i nasycenia na charakterystykach wyjściowych. Wyznaczyliśmy również prąd IDSS równy 2,39 mA. Wpływ napięcia UGS na przebieg charakterystyki wyjściowej można łatwo wyjaśnić na podstawie budowy tranzystora. W stanie UGS¹0, UDS=0 kanał jest zwężony równomiernie na całej swej długości. W miarę zwiększania wartości napięcia UDS kanał zwęża się przy drenie, aż dochodzi do odcięcia czyli przerwania ciągłości obszaru neutralnego pomiędzy źródłem a drenem. Warunkiem odcięcia jest istnienie różnicy potencjałów między elektrodą bramki a napięciem odcięcia zgodnie z zależnością: UDS - UGS = UP. Po odcięciu kanału połączenie warstw zaporowych wydłuża się w miarę zwiększania UDS, kanał skraca się, czyli jego rezystancja maleje, co oznacza zwiększenie się prądu drenu. To zjawisko, nazywane modulacją kanału, wyjaśnia różne od zera nachylenia charakterystyki ID(UDS) w stanie po odcięciu kanału.

Dwoma różnymi metodami wyznaczyliśmy zależność transkonduktancji od napięcia UGS. W pierwszej skorzystaliśmy z definicji transkonduktancji i funkcjiiD = f(uGS), w drugiej sygnałem wejściowym było napięcie piłokształtne o częstotliwości 1 kHz i amplitudzie 200mVp-p. Zależności gm=gm(uGS) w obu przypadkach są do siebie podobne, tzn. wraz z obniżaniem napięcia UGS transkonduktancja maleje. Nie zdążyliśmy niestety przeprowadzić pomiaru rds.

Błędy wymienione wcześniej staraliśmy się zmniejszyć używając do pomiarów mierników cyfrowych wysokiej klasy. Stosowanie tych mierników pozwoliło nam na zauważenie niewielkiego powiększania się prądu drenu w zakresie nasycenia, czyli efektu modulacji długości kanału. Nie byłoby to możliwe, gdybyśmy stosowali miliamperomierz analogowy.

Podsumowując, przeprowadzone ćwiczenie dało satysfakcjonujące rezultaty. Otrzymane charakterystyki wyjściowe i przejściowe potwierdziły teoretyczne rozważania na temat tranzystora polowego.