Tranzistorul cu efect de camp cu poarta-jonctiune (tecj)

TRANZISTORUL CU EFECT DE CAMP CU POARTA-JONCTIUNE (TECJ)

In lucrare sunt masurate caracteristicile statice de functionare ale unui TECJ si este verificata concordanta cu relatiile analitice teoretice. Sunt masurati de asemenea parametri modelului de semnal mic, joasa frecventa si verificata dependenta acestora fata de punctul static de functionare.

4.1.    OBSERVATII TEORETICE

Caracteristicile statice ale TECJ

Se considera pentru TECJ cu canal n structura simplificata din figura 4.1.a. Simbolul cu marimile electrice asociate este prezentat in figura 4.1. b.

a. b.

FIG. 4.1

Se demonstreaza ca dependenta curent-tensiune pentru structura din figura 4.1 se exprima dupa cum urmeaza:

a. Pentru V_T v_GS 0 , v_DS 0 si |v_DS| foarte mic (sute de mV)

                                 (4.1)

unde :

este tensiunea de prag (4.2)

este conductanta maxima ("constructiva") a canalului (4.3)

f_B0 este inaltimea barierei de potential asociata jonctiunii p⁺n, poarta-canal.

b. Pentru V_T v_GS 0 , 0 v_DS V_{DS , sat} = v_GS - V_T

              (4.4)

unde f este functia definita ca:

c. Pentru V_T v_GS 0 , v_DS V_{DS , sat} = v_GS - V_T (saturatie)

  (4.5)

Curentul de drena in saturatie poate fi exprimat aproximativ cu ajutorul relatiei:

      (4.6)

Iar daca se neglijeaza f_B0 (ceea ce nu este intotdeauna justificabil) se obtine:

        (4.7)

unde:

              (4.8)

Caracteristicile de iesire i_D(v_DS) si de transfer, in saturatie i_D(v_GS) sunt schitate in figura 4.2.

FIG. 4.2

Model dinamic (semnal mic, joasa frecventa)

Comportarea TECJ in regim dinamic de semnal mic si joasa frecventa se poate descrie cu ajutorul modelului din figura 4.3.

FIG. 4.3

unde:

                   (4.9)

                   (4.10)

I_d, V_gs, V_ds sunt valori efective. Expresia analitica pentru g_m (transconductanta sau conductanta mutuala) se obtine prin derivarea relatiei (4.4) sau a uneia din relatiile (4.5), (4.6) sau (4.7) in functie de regimul static al TECJ.

Expresia analitica pentru conductanta canalului g_d , rezulta prin derivarea relatiei (4.1) sau (4.4). In regim de saturatie prin derivarea relatiilor (4.6), (4,7) sau (4.8) rezulta g_d = 0. In realitate insa conductanta canalului este nenula in orice conditii.

Daca se analizeaza structura reala a unui TECJ se remarca prezenta intre extremitatile canalului propriu-zis si contactele metalice S si D, a unor portiuni de siliciu n a caror rezistenta trebuie luata in considerare in construirea unui model dinamic. Astfel modelul se completeaza cu rezistentele R_d si R_s si este prezentat in figura 4.4.

FIG. 4.4

Rezistentele R_s si R_d depind de tensiunile aplicate tranzistorului. Valorile masurate pentru g_m si g_d pot diferi de cele ce rezulta din formulele teoretice datorita prezentei acestor rezistente.

4.2.   MONTAJUL EXPERIMENTAL - APARATE NECESARE

Montajul experimental echipat cu TECJ este prezentat in figura 4.5.

FIG. 4.5

Aparate necesare:

- sursa dubla de tensiune stabilizata (0-24 V);

- multimetru electronic;

- generator de semnal sinusoidal de audiofrecventa.

4.3.    DETERMINARI EXPERIMENTALE

1.   Se realizeaza configuratia din figura 4.6.

FIG. 4.6

2. Se ridica caracteristicile curent-tensiune pentru v_DS 0, prin fixarea succesiva a tensiunilor V_GS si V_DS la valorile indicate in tabelul 4.1. Reglajele se fac din sursa V_GG si potentiometrul P₁, respectiv din sursa V'_DD, potentiometrul P₂ si alegerea convenabila a rezistentei R_D (R_{3 5}). Se masoara de fiecare data V_DD si se calculeaza valoarea curentului I_D cu relatia:

                 (4.11)

Rezultatele se trec in tabelul 4.1 .

Tabelul 4.1

3. Se inverseaza firele de legatura la sursa V'DD si se ridica caracteristicile curent-tensiune pentru v_DS < 0, dupa procedeul de la punctul 2. Rezultatele se trec in tabelul 4.2.

Tabelul 4.2

Verificarea modelului dinamic

Estimarea rezistentei r_d in saturatie

4. Se realizeaza configuratia din figura 4.7.

FIG. 4.7

5. Se conecteaza R₄ ( 1 kW) si se fixeaza V_GS = - 2V si V_DS = 5V. Generatorul de semnal este conectat si pornit, dar reglat la V_S = 0.

6. Se regleaza amplitudinea semnalului de la generator astfel incat sa se obtina V_gs = 10 mV si se masoara V_ds. Rezultatele se trec in tabelul 4.3.

Tabelul 4.3

7. Se repeta punctele 5 si 6 pentru R₅ ( 18kW

Masurarea conductantei mutuale in saturatie g_msat

8.   In configuratia din figura 4.7 se conecteaza R₄.

9.   Se regleaza succesiv V_GS la valorile din tabelul 4.4 mentinandu-se de fiecare dataV_DS = 4V, V_gs = 20 mV si masurandu-se V_ds.

Tabelul 4.4

Masurarea conductantei canalului in regiunea liniara g_dlin

10. Se realizeaza configuratia din figura 4.8 .

FIG. 4.8

11. Se regleaza V_GS succesiv la valorile din tabelul 4.5. Se regleaza de fiecare data amplitudinea generatorului astfel incat sa se obtina V_ds = 20 mV. Se masoara V_dd si se trece in tabelul 4.5.

Tabelul 4.5

4.4.    PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE. CONCLUZII

Caracteristicile statice

1. Cu ajutorul datelor din tabelele 4.1 si 4.2 se vor trasa graficele:

F₁: i_D = f₁(v_DS) pentru v_DS I [-1 , +1V] si V_GS = 0, -1, -1,5, -2, -2,5.

Pentru fiecare curba se va determina grafic tangenta in origine:

                         (4.12)

Rezultatele se trec in tabelul 4.6.

F₂: i_D = f₂(v_DS) pentru v_DS I [0 , +6V] si V_GS = 0 , -1, -1,5, -2, -2,5.

F3: pentru V_DS = 4V si V_DS = 6V.

Se extrapoleaza F₃ pana la i_D = 0 si se determina astfel V_T = v_GS (i_D = 0).

2.   Pe graficul F2 se vor marca punctele de coordonate (v_DS = V_DS,sat = V_GS - V_T, i_D = I_DS).

3.   Se determina I_DSS = i_D (v_DS = -V_T, V_GS = 0).

4.   Ce erori se introduc in determinarile asupra caracteristicilor statice prin mentinerea prea indelungata a TECJ intr-un regim de putere disipata relativ mare (I_D si V_DS mari) ?

5.   Explicati forma dependentei i_D = f₁(v_DS) pentru v_DS < 0.

Estimarea rezistentei dinamice a canalului in saturatie r_dsat

6.   Cu ajutorul valorilor V_ds1 si V_ds2 din tabelul 4.3 se calculeaza:

                                 (4.13)

Conductanta mutuala in saturatie g_msat

7. Utilizand datele din tabelul 4.4 se calculeaza pentru fiecare valoare a lui V_GS, parametrul:

, V_DS = 4V (4.14)

si cu ajutorul valorilor lui I_DSS si V_T determinate anterior, parametrul:

, V_DS = 4V (4.15)

Rezultatele se trec in tabelul 4.6.

Conductanta drena - sursa in regiunea liniara g_dlin

8. Utilizand datele din tabelul 4.5 se calculeaza pentru fiecare valoare a lui V_GS, parametrul:

, V_DS = 0 (4.16)

si cu ajutorul lui I_DSS si V_T, parametrul:

, V_DS = 0 (4.17)

Rezultatele se trec in tabelul 4.6.

9.   Justificati utilizarea relatiilor (4.13) , (4.14) , (4.15) , (4.16) si (4.17).

Tabelul 4.6

10. Cu datele din tabelul 4.6 se traseaza pe acelasi grafic, curbele:

C1:             g_msat1 = f₄(v_GS), pentru V_DS = 4V

C2:             g_msat2 = f₅(v_GS), pentru V_DS = 4V

11. Cum explicati diferentele care rezulta intre g_msat1 (transconductanta masurata) si g_msat1 (transconductanta calculata cu relatia (4.15) ) ?

12. Cu datele din tabelul 4.6 se traseaza pe acelasi grafic curbele:

C3:             g_dlin1 = f₆(v_GS), pentru V_DS = 0

C4:             g_dlin2 = f₇(v_GS), pentru V_DS = 0

C5:             g_dlin3 = f₈(v_GS), pentru V_DS = 0

13. Cum explicati diferentele care rezulta intre conductantele drena - sursa masurate prin diferite metode g_dlin1 si g_dlin2 si conductanta g_dlin3 calculata cu relatia (4.17) ?