VA-charakteristiky tranzistorů JFET a MOSFET
Úkoly:
1. Změřte VA charakteristiky unipolárního tranzistoru (JFET – BF545;
MOSFET – BSS138) 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 parametry
Princip funkce unipolárního tranzistoru JFET
Potřeba aktivního prvku v pevné fázi s vysokým vstupním odporem vedla k objevu a konstrukci
tzv. tranzistorů řízených polem, jinak nazývaných FET (z anglického Field Effect Transistor).
Jsou to tranzistory, jejichž fyzikální princip funkce je odlišný od principu, na kterém pracují
bipolární tranzistory. Řídicí elektrodou tranzistorů typu FET teče buď jen velmi malý proud
ekvivalentní proudu diody v závěrném směru, nebo je tato řídicí elektroda izolovaná od
řízeného obvodu vrstvičkou SiO2, takže jí neteče prakticky žádný proud (představuje
stejnosměrný odpor o velikosti cca 1012
Ω).
Historicky první vznikly tranzistory s izolovanou řídicí elektrodou (hradlem) a závěrně
pólovaným přechodem PN, tzv. tranzistory 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 typu N opatřená na obou koncích
neusměrňujícími přívodními kovovými kontakty a mají, ve srovnání s bipolárním tranzistorem,
význam emitoru a kolektoru. Do horní i dolní stěny základní destičky je vytvořena difúzí silně
dotovaná vrstva obráceného typu vodivosti (P+) nazvaná hradlo (G- gate). Obě části hradla jsou
spolu vodivě spojeny. Hradlo tvoří řídicí elektrodu tranzistoru. Prostor mezi částmi hradla se
nazývá kanál.
Jsou-li hradlo G i drain D spojeny s elektrodou source S (UDS =UGS = 0) vytvoří se v okolí
hradla vyprázdněná oblast A, která se nesymetricky rozšiřuje do oblasti N s nízkou dotací.
Tloušťku vyprázdněné oblasti je možno měnit napětím přiloženém k přechodu. Přiložíme-li
tedy mezi hradlo a source napětí UGS tak, aby přechod byl polarizován v závěrném směru,
můžeme obě vyprázdněné oblasti rozšířit, čímž zúžíme vodivou část kanálu a zvětšíme jeho
odpor. Přitom hradlem neprochází téměř žádný proud (řádově pA).
Při nulovém nebo velmi malém napětí UDS je vyprázdněná část kolem části hradla rovnoměrná
a proud při vzrůstu UDS se zvyšuje lineárně. Při dalším zvyšování napětí UDS začíná kladné
napětí připojené v místě drainu na kanál vodivosti typu N působit jako předpětí HRADLOKANÁL
v závěrném směru a tím rozšiřovat vyprázdněnou oblast. Toto rozšíření je největší v
blízkosti drainu, neboť napětí mezi kanálem a hradlem se v důsledku napěťového úbytku
působeného proudem ID ve směru od D k S zmenšuje. Výsledkem je nerovnoměrné rozložení
vyprázdněné oblasti podél hradla.
Při maximálním zúžení kanálu však stále prochází nasycený proud ID v důsledku velkého
rozdílu potenciálů mezi S a D a v důsledku průchodu nosičů podél siločar elektrického pole
přechodu PN - nasycená oblast (saturace). Z tohoto popisu vycházejí následující
VA charakteristiky JFETu (Obr. 2).
Obr. 2: VA charakteristiky tranzistoru JFET
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 prakticky nulovému proudu hradla IG. Soustava koeficientů se tak ze stavu nakrátko
a naprázdno zjednoduší pouze na dva - y21S a y22S (pro zapojení se společnou elektrodou S).
Admitanční rovnice náhradního lineárního obvodu
pro obecný dvojbran pro unipolární tranzistor
i1 = y11u1 + y12u2 iG = y11suGS + y12suDS
i2 = y21u1 + y22u2 iD = y21suGS + y22suDS
Obr. 3: Náhradní lineární obvod
Potom:
𝑦21𝑆 = [
∆𝐼 𝐷
∆𝑈 𝐺𝑆
]
𝑈 𝐷𝑆=𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡
𝑦22𝑆 = [
∆𝐼 𝐷
∆𝑈 𝐷𝑆
]
𝑈 𝐺𝑆=𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡
Definuje přenosovou admitanci v přímém směru při výstupu
nakrátko, která se číselně rovná hodnotě změny výstupního
proudu nakrátko při jednotkové změně vstupního napětí.
Označuje se jako strmost – rozměr [S], [mA/V]
Definuje přenosovou vodivost nakrátko a je rovna hodnotě
změny výstupního proudu při jednotkové změně výstupního
napětí a vstupu nakrátko – rozměr [S].
V porovnání s bipolárními tranzistory mají unipolární tranzistory větší impedance, vyžadují menší
řídicí příkon, ale mají rovněž menší výstupní výkon. Pro aplikace např. v logických obvodech je
tato okolnost výhodná. V planárním provedení zaujímá JFET asi pět krát menší plochu než bipolární
tranzistor a je tedy vhodný pro velkou integraci. Strmost JFETů je menší než u bipolárních
tranzistorů, což se projevuje nepříznivě při velmi rychlém zpracování informací (daná kapacita se
nabíjí pomaleji), kde mají bipolární tranzistory lepší parametry. Neobyčejně 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 s indukovaným kanálem
Tranzistor je tvořen základní destičkou polovodiče jednoho typu (například P) s nízkou
koncentrací příměsí, do které jsou vytvořeny dvě elektrody druhého typu (N+), tvořené velkou
koncentrací příměsí. S a D, takže nejsou propojeny. Na destičce je oxidací vytvořena nevodivá
vrstva, na níž je napařena hliníková vodivá elektroda G. Protože je řídicí elektroda izolována,
vstupní odpor tranzistoru je obrovský (1013
až 1017
Ω).
Důležité je, že izolační vrstva pod řídicí elektrodou je velmi tenká a prorazí ji napětí už od
několika desítek voltů, takže při práci s těmito tranzistory je zapotřebí zabránit vzniku statické
elektřiny. Tranzistory se dodávají se zkratovanými vývody a pracuje se na vodivé uzemněné
podložce.
Obr. 4: Struktura tranzisotru MOSFET (vlevo) a principiální funkce (vpravo)
Princip tranzistoru s indukovaným kanálem (v našem případě kanálem N) je založen na ovlivňování
vodivosti kanálu mezi elektrodami source S a drain D napětím na řídicí elektrodě gate G. Napětí
řídicí elektrody se vztahuje k elektrodě S. Vyšší napětí na řídicí elektrodě vytvoří vodivější kanál a
tranzistor je více otevřen. Naopak menší napětí na řídicí elektrodě vede k méně vodivému kanálu,
což představuje více uzavřený tranzistor. Není-li na řídicí elektrodu přivedeno žádné napětí,
tranzistorem protéká pouze zanedbatelný proud (v jednotkách nA) z důvodu závěrně pólovaného
jednoho z přechodů. Při kladném napětí jde o přechod Drain – substrát (Su), přechod Su–S je
pólován v propustném směru. Záporné napětí na Drainu představuje opačnou situaci. Přechod DSu
je pólován v propustném směru, přechod Su-S naopak v závěrném směru.
Odporová oblast
Pro malá napětí UDS (cca do 1V) funguje tranzistor jako napětím řízený odpor. Toho si lze všimnout
na výstupní VA charakteristice. V blízkosti počátku souřadného systému (v blízkosti nuly) jsou pro
všechna UGS křivky téměř lineární (rovné). A přímka ve VA charakteristice odpovídá právě
rezistoru. Její sklon (a tedy i odpor kanálu mezi elektrodami S a D) je řízen právě napětím UGS.
Přivedením napětí mezi elektrody G a S (Su je vodivě spojen s S) se vlivem elektrického pole
začnou přitahovat elektrony ze substrátu typu P směrem k elektrodě G. Díry se přesunou směrem
opačným. Zjednodušeně řečeno se tím oblast substrátu pod G přemění z typu polovodiče P na typ
N (inverzní oblast). Což vytvoří vodivý kanál mezi elektrodami Source a Drain. Napětí UGS, při
kterém se vytvoří kanál, se nazývá prahové a značí se UT (obvykle 1 až 3V). Toto platí pro MOSFET
s indukovaným N kanálem. Pro větší napětí UDS (cca od 1V do 3V) tyto úsečky přecházejí v křivky.
K tomu dochází proto, že kanál není ovlivňován už jen elektrickým polem způsobeným napětí UGS,
ale i polem způsobeným napětím UDS. Vodivý kanál se tedy začne rozšiřovat v oblasti u elektrody
Source a naopak zužovat v oblasti u elektrody Drain. Tomuto zužování se říká zaškrcování kanálu.
Oblast saturace
Pro vyšší hodnoty UDS (cca od 3V) přechází charakteristiky opět do lineárních úseček. Tomuto
místu odpovídají ve výstupních VA charakteristikách tzv. body zaškrcení kanálu vyznačené
červeně. Proud se s rostoucím napětím UDS již téměř nezvyšuje. Další zvyšování proudu je
způsobené již jen jevem zvaným modulace délky kanálu.
Charakteristické je vějířovité rozevření těchto úseček, které popisuje parametr lambda odpovídající
Earlymu napětí u bipolárních tranzistorů. Došlo k tzv. zaškrcení kanálu vlivem působícího el. pole
způsobeného napětím UDS. Pro použití tranzistoru MOSFET jako zesilovače signálu se používá
oblast saturace. Do této oblasti se tranzistor dostane pokud UDS > (UGS - UT).
Měření tranzistoru JFET (BF545)
ID
V
A
V
1k
UDS
UGS
UCC
Obr. 6. zapojení pro měření
Omezení: IDmax = 10 mA; UDSmax = 10 V
Poznámka: Vodivý kanál tranzistoru je plně
otevřen při nulovém předpětí na elektrodě G
(ID = max). Přivedením záporného předpětí
na elektrodu G se vodivost kanálu zmenšuje.
Elektroda G musí být proti elektrodě S vždy
záporná !!!
1. Výstupní charakteristika ID = f(UDS) / při UGS = konst.
a) Nastavte napájecí napětí UCC tak, aby UDS byly 3 V (UGS = 0 V)
b) Napětí UGS zvětšujte až do zániku proudu ID. Toto napětí může být cca -2 V až -3 V
podle typu tranzistoru. Zjištěné napětí rozdělte na 4 úrovně tak, aby hodnoty odpovídaly
čtyřem charakteristikám s přibližně stejnou vzdáleností v grafu.
Věnujte pozornost správné polaritě všech napětí!!
c) Pro takto určené hodnoty UGS proměřte jednotlivé charakteristiky, hodnoty zapište do
tabulky a zakreslete je do grafu.
d) V průběhu měření kontrolujte stabilitu nastaveného UGS.
2. Převodní charakteristika ID = f(UGS) / při UDS = konst.
(zdroj proudu řízený napětím - stejné zapojení jako v úkolu 1.)
a) Nastavte UDS = 5V a udržujte toto napětí konstantní.
b) Napětí UGS zvětšujte, nejlépe po úrovních určených v předchozím úkolu.
c) Naměřené hodnoty zapište do tabulky a vyneste do grafu.
d) Totéž proveďte pro UDS = 3V
3. Admitanční parametry NLO
Ze změřených charakteristik určete admitanční parametry náhradního lineárního obvodu.
Přenosová admitance
strmost [S], [mA/V]
𝑦21𝑆 = [
∆𝐼 𝐷
∆𝑈 𝐺𝑆
]
𝑈 𝐷𝑆=𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡
Výstupní vodivost [S]
𝑦22𝑆 = [
∆𝐼 𝐷
∆𝑈 𝐷𝑆
]
𝑈 𝐺𝑆=𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡
Měření tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem N (BSS138)
V
A
V
1kID
UDS
UGS
UCC
Obr. 7. zapojení pro měření
Omezení: IDmax = 10 mA; UDSmax = 10 V
Poznámka: Tranzistor je plně otevřen při
napětí na řídicí elektrodě G= 1,5V(ID = max);
Snižováním předpětí na elektrodu G se
vodivost kanálu zmenšuje.
Elektroda G musí být proti elektrodě S vždy
kladná !!!
1. Výstupní charakteristika ID = f(UDS) / při UGS = konst.
a) Nastavte napájecí napětí UCC = 10 V a pomalu zvyšujte napětí UGS a sledujte okamžik,
kdy tranzistorem začne protékat proud větší než 0,1 mA. Tuto hodnotu prahového napětí
si poznamenejte.
b) Napětí UGS dále zvyšujte za současného udržování napětí UDS = 3 V až do okamžiku, kdy
proud ID dosáhne hodnoty ID = 10 mA. (podle typu tranzistoru se bude napětí UGS
nacházet v rozmezí 1,3 V až 1,6 V). Zjištěné rozmezí napětí UGS, jemuž odpovídá
rozsahu proudu ID = 0,1 mA až 10 mA, rozdělte na 4 úrovně tak, aby hodnoty odpovídaly
čtyřem charakteristikám s přibližně stejnou vzdáleností v grafu.
Věnujte pozornost správné polaritě všech napětí!!
c) Pro takto určené hodnoty UGS proměřte jednotlivé charakteristiky, hodnoty zapište do
tabulky a zakreslete je do grafu.
d) V průběhu měření kontrolujte stabilitu nastaveného UGS.
2. Převodní charakteristika ID = f(UGS) / při UDS = konst.
(zdroj proudu řízený napětím - stejné zapojení jako v úkolu 1.)
e) Nastavte UDS = 5V a udržujte toto napětí konstantní.
f) Napětí UGS zvětšujte, nejlépe po úrovních určených v předchozím úkolu.
g) Naměřené hodnoty zapište do tabulky a vyneste do grafu.
h) Totéž proveďte pro UDS = 3V
3. Admitanční parametry NLO
Ze změřených charakteristik určete admitanční parametry náhradního lineárního obvodu.
Přenosová admitance
strmost [S], [mA/V]
𝑦21𝑆 = [
∆𝐼 𝐷
∆𝑈 𝐺𝑆
]
𝑈 𝐷𝑆=𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡
Výstupní vodivost [S]
𝑦22𝑆 = [
∆𝐼 𝐷
∆𝑈 𝐷𝑆
]
𝑈 𝐺𝑆=𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡