7

Opracowanie teoretyczne

ZESPÓŁ SZKÓŁ Nr 9 im. Romualda Traugutta

W KOSZALINIE

Opracowanie teoretyczne

Temat ćwiczenia:

Badanie tranzystorów MOS.

Koszalin rok szk. 2004/2005

1. Budowa tranzystorów z izolowaną bramką MOS

W tranzystorach polowych z izolowaną bramką pole elektryczne jest doprowadzone przez powierzchniową warstwę dielektryku. Tranzystory te różnią się od tranzystorów polowych złączowych tym, że złącze p-n (spolaryzowane w kierunku zaporowym) zostało zastąpione przez układ metal dielektryk-półprzewodnik.

Tranzystory polowe z bramką izolowaną są oznaczone w literaturze symbolem IGFET (Insulated Gate Fidel Effect Transistor). Do grupy tych tranzystorów należą:

- tranzystory z bramką utworzoną przez metalową elektrodę, która jest oddzielona od kanału przewodzącego cienką warstwę izolacyjną, utworzoną przez tlenek krzemuj; symbolem tej grypy jest skrót MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Fidel Effect Transistor),

- Tranzystory cienkowarstwowe; symbol tej grupy TFT (Thin film Transistor).

Tranzystory z izolowaną bramką w zależności od napięcia polaryzującego bramkę mogą:

- nie przewodzić przy braku napięcia polaryzującego bramkę; tranzystory takie nazywają się tranzystorami normalnie wyłączonymi (albo pracującymi przy wzbogacaniu nośników),

- przewodzić przy braku napięcia polaryzującego bramkę; tranzystory takie nazywają się tranzystorami Normalnie załączonymi (albo pracującymi przy zaburzeniu nośników w kanale).

Oba rodzaje pracy można uzyskać w tranzystorach o kanale typu n lub kanale typu p.

Na rys. 1. przedstawiono typowe konstrukcje tranzystorów typu MOS. Między obszarami typu n tworzy się kanał o przewodności typu n i konduktywności oraz przekroju zależnym od wartości pola elektrycznego, wytworzonego przez napięcie Ugs.

Tranzystory tej grupy charakteryzują się:

- częstotliwością graniczną do kilkuset MHz,

- mocą admisyjną do części wata,

- rezystancją wyjściową ok. 10 kW,

- rezystancją wejściową ok. 1012 W.

Rys. 1. Tranzystory unipolarne z izolowaną bramką
a – tranzystor normalnie wyłączony,
b – tranzystor normalnie włączony,
c – symbole tranzysorów typu MOS z jedną i dwiema bramkami

Na Rys. 2 przedstawiono budowę tranzystora polowego cienkowarstwowego. Tranzystory te różnią się od tranzystorów MOS tym, że cieniutka warstewka półprzewodnika (ok. 1 mm) jest naniesiona na podłoże szklane lub ceramiczne. Charakterystyki tych tranzystorów są podobne do tranzystorów typu MOS.

Rys. 2. Tranzystor unipolarny cienkowarstwowy

2. Parametry, zastosowanie i przykładowe charakterystyki tranzystorów MOS

2.1. Podstawowe parametry statyczne tranzystorów

- UGS(OFF) lub UGS(lTH) – napięcie zatkania lub progowe;

- IDSS – prąd drenu dla UGS = 0 i przy określonym UDS;

- ID(OFF) – prąd drenu w stanie zatkania;

- IGSS – prąd upływu bramki dla UDS = 0 i przy określonym UGS;

- U(BR)GSS – napięcie przebicia dren-źródło;

- RDS(ON) – rezystancja statyczna dren-źródło w stanie włączenia;

2.2. Charakterystyki tranzystorów polowych MOS

Każdy tranzystor można opisać przy pomocy różnych parametrów i charakterystyk. Najważniejsze z nich to charakterystyka przejściowa i wyjściowa. Każda charakterystyka przedstawia graficznie zależność pewnych wielkości w układzie współrzędnych.

1. Charakterystyka przejściowa ID = f (UGS) przy USD = const to zależność prądu drenu ID od napięcia bramka - źródło UDS przy stałym napięciu dren – źródło UDS .
2. Charakterystyka wyjściowa ID = f (UDS ) przy UGS = const to zależność prądu ID drenu od napięcia dren – źródło UDS przy stałym napięciu UGS .

W zależności od sposobu domieszkowania obszaru kanału tranzystora rozróżiamy tranzystory z kanałem typu p i tranzystory z kanałem typu n.

2.2.1. Charakterystyki tranzystora MOS z kanałem typu p

Tranzystor MOS normalnie wyłączony to taki tranzystor, w którym prąd nie płynie przy braku napięcia polaryzującego bramkę.

Rys. 3.Tranzystor polowy MOS normalnie wyłączony z kanałem typu p.

a)      symbol graficzny tranzystora

b)     charakterystyka przejściowa tranzystora

c)      charakterystyka wyjściowe tranzystora

Rysunek 3 przedstawia symbol graficzny tranzystora oraz jego charakterystyki. Jak widać z wykresów dren D i bramka G tranzystora jest zasilana napięciem ujemnym względem źródła S. Charakterystyka przejściowa (rys. 3 b) pokazuje, że prąd drenu ID zaczyna płynąć dopiero gdy napięcie na bramce przekroczy napięcie progowe UT  wynoszące około – 2V. Rodzina charakterystyk wyjściowych (rys. 3 c) pokazuje, że w dużym zakresie napięć zasilania drenu względem źródła UDS , prąd drenu ID w niewielkim stopniu zależy od wielkości tego napięcia tylko jest mocno zależny od napięcia bramka – źródło UGS. W zakresie niskich napięć UDS (od zera do około 7 V) tranzystor ten zachowuje się jak rezystor, które go rezystancja jest regulowana napięciem bramka – źródło UGS.

Rys 4. przedstawia charakterystyki tranzystora typu p normalnie załączonego tzn. takiego, w którym prąd drenu płynie gdy napięcie na bramce tranzystora jest równe zero.

Rys. 4. Tranzystor złączonwy MOS z kanałem typu p normalnie włączony.

a)      symbol graficzny tranzystora

b)     charakterystyka przejściowa tranzystora

c)      charakterystyka wyjściowa tranzystora

Z charakterystyki przejściowej tranzystora widać, że prąd drenu ID ma wartość równą około 4 mA gdy napięcie bramka – źródło UGS ma wartość 0V. Podobnie jak poprzednio z charakterystyki wyjściowej można wysnuć wniosek, że prąd drenu zależy niemal wyłącznie od wartości napięcia bramka – źródło UGS.

2.2.2. Charakterystyki tranzystora MOS z kanałem typu n

Poniższy rysunek przedstawia tranzystor z kanałem typu n normalnie wyłączony.

Rys. 5 Tranzystor polowy MOS normalnie wyłączony z kanałem typu n.

a)      symbol graficzny tranzystora

b)     charakterystyka przejściowa tranzystora

c)      charakterystyka wyjściowe tranzystora

Tranzystory MOS z...