ZADÁNÍ: Změřte výstupní a převodní charakteristiky unipolárního tranzistoru KF 520. Z naměřených charakteristik určete v pracovním bodě strmost S, vnitřní odpor Ri a zesilovací činitel µ. Určete katalogové hodnoty parametry měřeného tranzistoru a porovnejte s nimi naměřené.
ÚVOD: Tranzistory řízené elektrickým polem (unipolární tranzistory). Rozdíl mezi bipolárním a unipolárním tranzistorem: a) Charakteristickou vlastností bipolárního tranzistoru je, že k řízení svého výstupního výkonu potřebuje určitý vstupní výkon působící mezi jeho vstupními svorkami jako řídící veličina. Charakteristické pro tranzistor řízený elektrickým polem je, že jeho výstupní výkon lze řídit elektrickým nábojem přivedeným na řídící elektrodu (též hradlo). Řídící veličinou je zde elektrické pole, vyvolané tímto nábojem mezi vstupními svorkami a řízení se děje bez přivádění reálného výkonu. Z prvních písmen slov v anglickém názvu tranzistoru řízeného elektrickým polem vzniklo zkratkové slovo FET, které se běžně používá pro označení tranzistorů tohoto druhu. b) Druhý název "unipolární tranzistor" vyplývá ze skutečnosti, že vedení proudu v tranzistoru řízeného elektrickým polem se účastní vždy jen většinové nosiče náboje. Tranzistorů řízených elektrickým polem existuje několik druhů, lišících se vnitřním provedením, podrobnostmi fyzikálních pochodů uvnitř součástky a obvodovými vlastnostmi. Základní druhy tranzistorů řízených elektrickým polem: a) 1. Tranzistor řízený elektrickým polem s indukovaným kanálem 2. Tranzistor řízený elektrickým polem s vodivým kanálem b) 1. Tranzistor řízený elektrickým polem s přechodovým hradlem Technologie výroby: A) 1. : V základní destičce s vodivostí např. typu P jsou difuzí vytvořeny silně dotované oblasti emitoru a kolektoru typu N+. Povrch destičky je pokryt vrstvou izolantu, asi 10-7 m tlustou. Na izolační vrstvě je nanesena kovová řídící elektroda G. A) 2. : Výroba je velmi podobná struktuře tranzistoru s indukovaným kanálem. Liší se pouze tím, že mezi oblastí emitoru a kolektoru je difuzí vytvořena tenká vrstvička s vodivostí typu N. Mezi emitorem a kolektorem existuje tedy vodivá cesta (kanál), nepřerušená přechody PN, v níž jsou přítomny volné elektrony i při napětí řídící elektrody UGE = 0. B) 1. : Kanál je tvořen základní destičkou s vodivostí typu N, opatřenou na obou koncích kontakty emitoru a kolektoru. V kanálu jsou vytvořeny dvě bohatě dotované oblasti typu P+. Jejich vývody bývají spojeny a tvoří spolu řídící elektrodu G. Přechod mezi ní a kanálem musí u tohoto tranzistoru zastávat funkci izolační vrstvy a řídící elektrody - musí být proto přiloženým napětím UGE polarizován v závěrném směru.
SCHÉMA: T
P
Z1
EV1
mA
D
EV2
Z2
KATALOGOVÉ HODNOTY: KF520 - Mezní hodnoty, pracovní bod: UCE = 30V = 175°C ϑj S => 0,3mS UGE = -70 ÷ 70V při UCE = 15V = 30mA IC = 5mA IC Pmax = 300mW UGE = 0V
POPIS MĚŘENÍ: Pomocí zdroje Z1 nastavujeme určité napětí řídící elektrody. Pro toto napětí určíme výstupní charakteristiku tak, že zvyšujeme napětí UCE (předpětí) a odečítáme proud IC pro nastavené hodnoty. Z výstupních charakteristik odvodíme charakteristiky převodní. V pracovním bodě doporučeném výrobcem vypočteme Ri, S, µ podle vztahů:
Ri =
∆U CE ∆I C
S=
∆I C ∆U GE
µ = S × Ri
Zjištěné hodnoty porovnáme s katalogovými a případné neshody vysvětlíme v závěru.
NAMĚŘENÉ A VYPOČTENÉ VÝSLEDKY: Abychom změřili výstupní charakteristiky unipolárního tranzistoru, museli jsme zdrojem Z1 udržovat konstantní napětí UGE (ke změně polarity napětí jsme použili přepínač P). Zdrojem Z2 jsme nastavovali napětí UCE od 0V až po 25V, přičemž jsme dbali na maximální hodnoty uváděné v katalogu. Z miliampérmetru mA jsme odečítali naměřené hodnoty. Celý postup jsme několikrát opakovali pro různá napětí UGE. Takto jsme dostali tabulku č. 1. Pomocí ní jsme sestrojili graf č. 1. Pro změření přechodní charakteristiky unipolárního tranzistoru byl postup stejný jako u měření výstupní charakteristiky, avšak místo napětí UGE jsme udržovali konstantní napětí UCE. Naměřené hodnoty jsou v tabulce č. 2 (viz též graf č. 2).
Tabulka č.1 – Naměřené hodnoty tranzistoru (výstupní) UGE[V] UCE[V] 0 0,5 1 2 3 4 6 8 10 15 6 0 0,37 0,74 1,31 1,79 2,18 2,80 3,17 3,50 4,15 4 0 0,35 0,63 1,10 1,47 1,78 2,16 2,45 2,69 3,17 2 0 0,30 0,53 0,91 1,18 1,38 1,64 1,83 2,00 2,33 I [mA 0 CE 0 0,25 0,43 0,71 0,88 1,00 1,15 1,28 1,40 1,61 ] -2 0 0,19 0,32 0,49 0,59 0,65 0,74 0,81 0,90 1,00 -4 0 0,13 0,21 0,29 0,32 0,33 0,40 0,44 0,49 0,53 -6 0 0,07 0,10 0,12 0,13 0,15 0,16 0,19 0,20 0,22 Tabulka č.2 – Naměřené hodnoty tranzistoru (převodní) UCE[V] UGE[V] -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 15 0,06 0,22 0,54 1,00 1,60 2,33 3,17 4,10 10 0,05 0,20 0,49 0,88 1,39 2,00 2,68 3,45 8 0,04 0,20 0,46 0,80 1,27 1,84 2,41 3,13 ICE[mA] 6 0,03 0,17 0,40 0,73 1,14 1,64 2,17 2,75 4 0,02 0,15 0,35 0,64 0,99 1,38 1,76 2,15 2 0,02 0,12 0,28 0,49 0,70 0,90 1,10 1,28
20 4,50 3,38 2,47 1,68 1,04 0,56 0,24
25 4,63 3,50 2,53 1,73 1,08 0,60 0,26
8 5,14 4,30 3,86 3,29 2,52 1,47
Určení strmosti, vnitřního odporu a zesilovacího činitele v prac. bodě tranzisoru K určení těchto vlastností je zapotřebí zvolit si pracovní bod tranzistoru. V našem případě jsme si ho zvolili: UCE = 15V a UGE = 4V, kterému odpovídal proud 3,17mA (viz graf č. 1 a 2). K bodu, kde došlo k průniku, jsme udělali tečnu v obou charakteristikách. Pomocí tečny jsme určili ∆ICE, ∆UCE, ∆UGE. Pomocí vzorečků jsme určili strmost, vnitřní odpor a zesilovací činitel: 2 ⋅10−3 ∆I CE - strmost S = = = 0, 4 mS 4,5 ∆U GE 20,5 ∆U CE - vnitřní odpor Ri = = = 13, 6 KΩ ∆I CE 1,5 ⋅10 −3 - zesilovací činitel µ = S × Ri = 0,0004 ⋅13666 = 6
ZÁVĚR: Měření charakteristik unipolárních tranzistorů je poměrně snadnou částí. Nechá se poměrně rychle změřit, protože má pouze dva kvadranty (převodní a výstupní). Je to způsobeno tím, že tento unipolární tranzistor nepotřebuje k ovládaní kolektorového proudu proud, ale napětí ⇒ na nastavení konstantního napětí UGE, nemá žádný vliv změny napětí UCE. Musíme však dávat velký pozor při měření na statické pole, protože vlivem tohoto pole se může unipolární tranzistor zničit. Proto bývají jeho konektory uzemněny (při nákupu je zabalen např. v ALobalu). Po vypočtení strmosti, vnitřní odporu a zesilovacího činitele, jsme tyto hodnoty porovnali s hodnotami udávané výrobcem. Došli jsme k závěru: Vypočtené hodnoty odpovídali hodnotám udávané výrobcem.
Graf č. 2 - Převodní charakteristika tranzistoru KF520 6
UCE = K
UCE = 15V
5
UCE = 10V
I CE
UCE = 6V 3
UCE = 4V 2
UCE = 2V 1 ∆ UGE 0 -8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1 UGE [V]
2
3
4
5
6
7
8
9
10
ICE [mA]
4
UCE = 8V
Graf č. 1 - Výstupní charakteristika tranzistoru KF520 5
UGE = K
4,5
UGE = +6V
4 3,5
UGE = +4V
I CE
3,17mA
ICE [mA]
3
UGE = +2V
2,5 2
∆ UCE
UGE = 0V
1,5 1
UGE = -2V
0,5
UGE = -4V UGE = -6V
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 UCE [V]
