Versuch E 2 Feldeffekt - Transistor

Labor für Elektronische Bauelemente Prof. Dr.- Ing. Gerhard Steeger Grundlagenpraktikum, Teil2 im Studiengang Elektrotechnik u. Informationstechnik Versuch E 2 Feldeffekt - Transistor Semester: WS / SS Gruppe: EI... Teilnehmer:...... Betreuer:.. Versuchstermin: Nach Korrektur Prädikat erteilt: mit / ohne Erfolg

Versuch E 2: Vorbereitung Seite 2 1. Informieren Sie sich sorgfältig über das Thema Feldeffekt Transistoren (FET) anhand des Skriptums zur Vorlesung Elektronik 1 und/ oder der Literatur. 2. Studieren Sie gründlich die im Anhang beigefügten Datenblätter der im Praktikum verwendeten FET Typen BF 245C (Sperrschicht- bzw. JFET) und BF 999 (MOSFET). Suchen Sie diejenigen Kennlinienfelder heraus, welche Sie im Durchführungsteil selbst messen sollen und markieren Sie diese (als Kontrolle für die Durchführung). Prägen Sie sich die angegebenen Grenzwerte ein; diese dürfen bei der Durchführung niemals überschritten werden! 3. Schaltzeichenerklärung: Frequenzgenerator zur Erzeugung einer Dreieckspannung Uo Konstantspannungsquelle x -Verstärker Zweikanal Oszilloskop zur xy- Darstellung, (Kennlinie) y -Verstärker Bild 1: Schaltzeichen 4. Mit einem FET lässt sich auf sehr einfache Weise eine Konstantstromquelle realisieren, siehe Bild 2. Gegeben ist: U B = 12V. Der Spannungsabfall U RS (wenn I D durch R S fließt), wird als Steuerspannung U GS genutzt. Eine Konstantstromquelle, die diesen Namen verdient, ergibt sich aber nur im Bereich flacher Ausgangskennlinien, also im Sättigungsbereich.

Versuch E 2: Vorbereitung Seite 3 Bild 2: Konstantstromquelle: Schaltbild & Ersatzschaltbild Es ist üblich, die Sättigungsgrenze U DS sat = U P + U GS (1) auch als Grenze des Stromquellenbetriebs anzunehmen. Diese Grenze wird für einen bestimmten Wert des Lastwiderstandes R L erreicht; deshalb wird dieser R L max genannt. 4.1 Entnehmen Sie die Abschnürspannung (Pinch-Off-Voltage) U P aus der Übertragungs- Kennlinie des BF 245C (Anhang 1). Hinweis: Im Datenblatt (Anhang 1) wird U P als V GS off bezeichnet. Der angegebene Wertebereich zeigt, dass U P (fertigungsbedingt) große Schwankungen aufweist. Es ist also nicht lohnend, besonders genau abzulesen. 4.2 Bild 3 ist eine vergrößerte Kopie des Ausgangskennlinienfeldes des BF 245C. Tragen Sie die Sättigungsgrenzen {gemäß Gl. (1)} ins Bild 3 ein, und zwar auf den Kennlinien für U GS = 0V und 3V. 4.3 U GS = 0V erfordert offensichtlich: R S = 0. Ermitteln Sie für diesen Fall aus Bild 3 : a) den Urstrom I K (Kurzschlussstrom, R L = 0Ω) der Quelle; b) den Wert des max. Lastwiderstandes R L max ; c) den von der Quelle abgegebenen Laststrom I L, wenn R L = R L max. Es ist offensichtlich, dass gilt: Innenwiderstand R i = differenzieller Ausgangswiderstand r DS des Transistors. Bestimmen Sie R i der Quelle für R L = 0Ω und R L = R L max. Vergrößerung des R L verkleinert also R i. Dadurch kommt es zum Zusammenbruch des Stromquellenbetriebs bei R L > R L max..

Versuch E 2: Vorbereitung Seite 4 Bild 3: Ausgangskennlinienfeld des BF 245C 4.4 Bestimmen Sie R S so, dass (wenigstens) im Kurzschlussbetrieb (R L = 0Ω) der Transistor auf der Kennlinie für U GS = 3V arbeitet. Lesen Sie den Kurzschlussstrom I K ab. Ermitteln Sie R L max unter folgenden Annahmen: a) R S hat den oben bestimmten Wert. b) Der Transistor arbeitet auf der Kennlinie mit Parameter U GS = 3V. Die Annahme b) stimmt aber nicht ganz, denn das Absinken von I D unter I K verändert auch U GS, in dem Sinn, dass der Arbeitspunkt auf eine etwas höher liegende Kennlinie geschoben wird. (Zur Erinnerung: zwischen 2 gedruckten Kennlinien gibt es viele weitere.) Dem Absinken von I D wird also entgegengewirkt. R S hat somit eine Gegenkopplungswirkung. Dadurch wird der R i größer als r DS.

Versuch E 2: Durchführung Seite 5 1. Kennlinien von Feldeffekttransistoren Alle Kennlinien werden im X-Y - Modus des Oszilloskops aufgenommen. Stellen Sie zunächst im Normalbetrieb (mit Zeitbasis) die Signale richtig ein und achten Sie darauf, dass nur eine Periode vollständig abgebildet wird. Frequenz des Funktionsgenerators: ca. 200 Hz. Für das Einstellen des X-Y Modus liegt eine Kurzanleitung aus. 1.1 Sperrschicht - FET (JFET) 1.1.1 Übertragungskennlinie I D = f (U GS ) Bild 4: Schaltungsaufbau ACHTUNG: U Gen darf nur negative Werte aufweisen! Lebensgefahr für den BF 245 bei Missachtung! Stellen Sie den Funktionsgenerator mit Hilfe des "Offset"- Drehknopfes entsprechend ein (Knopf herausziehen!), bevor sie ihn anschließen! Kontrolle am Oszilloskop im (normalen) Y-t- Betrieb! Stellen Sie zunächst das Dreieck auf 0V - 8V ein. Schließen Sie dann Funktionsgenerator und Oszilloskop an die Messschaltung an. Der Drainstrom wird über den Spannungsabfall an R S gemessen. U DS kann hier nicht exakt konstant gehalten werden. Als Näherung wird U = konstant gehalten. Zunächst wird bei Raumtemperatur gemessen (Mini - Testofen offen). Führen Sie die Messung dreimal durch, für U = = 15V, 7V und 3V. Drucken Sie jeweils die Kurven aus und notieren Sie sofort den Parameterwert U = sowie sonstige wichtige Beobachtungen. Schließen Sie den Mini - Testofen und heizen Sie den JFET auf 60 o C auf. Wiederholen Sie die Messung der 2 interessantesten Übertragungskennlinien. (aber ohne Messung von U P ). Öffnen Sie sofort nach der Messung den Mini - Testofen, damit der Transistor abkühlen kann. Heizung ausschalten nicht vergessen!

Versuch E 2: Durchführung Seite 6 Messen Sie für U = = 7V zusätzlich die Abschnürspann. (Pinch-Off-Voltage) U P des JFET. (Zur Erinnerung: Definition von U P : U P ist derjenige U GS Wert, bei dem gilt: I D = 10 µa.) Notieren Sie den Wert von U p. (Papier sparen: diese Kennlinie nicht drucken!) 1.1.2 Ausgangskennlinienfeld I D = f(u DS ) Bild 5: Schaltungsaufbau Hinweis: Hier soll U Gen nur positive Werte aufweisen (vgl. Bild 3). (Geringfügige Missachtung bedeutet aber keine Gefahr für den BF 245 warum nicht?) Der Funktionsgenerator ist über den Trenntransformator ans Netz anzuschließen. (Sonst wäre R S kurzgeschlossen, Strommessung würde unmöglich). Schließen Sie dann das Oszilloskop an die Messschaltung an. Stellen Sie ein: U Gen soll von 0V bis ca. 12V laufen. Frequenz von U Gen weiterhin ca. 200 Hz. U = 8V, ggf. Verkleinerung. Messen Sie 3 Kennlinien, für U GS = 0V, 0,5 U p und 0,9 U p. Beschriftung der Blätter nicht vergessen! Wiederholen Sie die Messung bei 60 o C Transistortemperatur, mit den zwei interessantesten U GS - Werten. Schalten Sie die Heizung aus und wechseln Sie (nach Abkühlung!) den Transistor. 1.2 Selbstleitender MOSFET Beim JFET (Abschn.1.1) war es nicht möglich, die maximal zulässige Verlustleistung P D zu überschreiten, wenn man sich an die Grenzen U GS 0V und U DS 15V hielt. Hier, beim BF 999, ist dies anders (weil U GS auch positiv sein kann)! Bereits bei einem Bruchteil der höchsten zulässigen Spannung U GS (6,5V) fließt ein großer I D. Berechnen Sie den maximalen Drainstrom Î D, der bei U DS = 1V, 5V, 10V und 15V gerade eben noch fließen darf. Beachten Sie, dass der I D nur recht kurzzeitig hohe Werte annimmt.

Versuch E 2: Durchführung Seite 7 Als Näherung (auf der sicheren Seite) rechnen Sie mit folgenden Annahmen: a) der I D habe einen dreieckförmigen Verlauf; b) U DS sei konstant. Rechnen Sie Î D zunächst für 25 C aus. Suchen Sie aus dem Datenblatt die dazu gehörigen Û GS Werte heraus. Beachten Sie, dass im Datenblatt auch eine Obergrenze für I D gegeben ist. Halten Sie sich bei den folgenden Messungen an diese Grenzen! 1.2.1 Übertragungskennlinie I D =f(u GS ) Bild 6: Schaltungsaufbau (*: genormtes Symbol in Microsoft VISIO nicht vorhanden) Hinweis: U Gen soll hier von U p (negative Spg., bei der I D verschwindet) bis zu den oben (unter 1.2) berechneten maximalen positiven Werten laufen. Schließen Sie das Oszilloskop an die Messschaltung an. U DS kann hier nicht exakt konstant gehalten werden. Als Näherung wird U = konstant gehalten. Zunächst wird bei Raumtemperatur gemessen. Messen Sie 2 Kennlinien, für U DS = 1V und 10V. Û GS wie oben (unter 1.2) ermittelt. Ausdrucken, Beschriften! Schließen Sie den Mini - Testofen und heizen Sie den MOSFET auf 60 o C auf. Bestimmen Sie während der Heizzeit die neuen Maximalwerte Î D, die nun bei 60 o C gelten (zulässige Verlustleistung: Datenblatt). Suchen Sie die dazu gehörigen Û GS - Werte heraus. Wiederholen Sie die Messung der 2 Übertragungskennlinien. Öffnen Sie sofort nach der Messung den Mini - Testofen, damit der Transistor abkühlen kann. Heizung ausschalten nicht vergessen!

Versuch E 2: Durchführung Seite 8 1.2.2 Ausgangskennlinienfeld I D =f(u DS ) Bild 7: Schaltungsaufbau (*: genormtes Symbol in Microsoft VISIO nicht vorhanden) Beachten Sie den Hinweis zum Trenntransformator unter 1.1.2! Er gilt auch hier. Schließen Sie das Oszilloskop an die Messschaltung an. U Gen soll nur so weit hoch laufen bis der maximale Drainstrom, den Sie errechnet haben, erreicht ist (verschiedene Werte für verschiedene U GS!) oder der Aussteuerbereich des Funktionsgenerators zuende ist. U = +/ -2V. Messen Sie 3 Kennlinien, für U GS = -0,8V, 0V und +0,8V. Wiederholen Sie die Messung bei 60 o C Transistortemperatur. (2 Kurven drucken genügt). 2. Konstantstromquellen für I K 4 ma und 17 ma 2.1 Bauen Sie die beiden Schaltungen für die unter "Vorbereitung 4." dimensionierten Konstantstromquellen auf einer Lochrasterplatte auf (zeitlich nacheinander). 2.2 Zeichnen Sie ein Diagramm auf: Abszissenachse, am oberen Bildrand: R L / RL max, linear skaliert von 0 bis 1,2. Ordinate, von der Abszissenachse nach unten: Δ I L%, linear skaliert von 0 bis ca. - 30 %. 2.3 Messen Sie jeweils (für jede der beiden Stromquellen): a) I K (also I L, wenn R L = 0Ω). b) I L bei verschiedenen Werten von R L : von etwas größer als 0Ω bis zu 1,2 R L max. Tragen Sie sofort während der Messung (damit Sie nicht überflüssige Werte messen) Ihre Ergebnisse in das Diagramm (2.2) ein, je eine Farbe für je eine Stromquelle! Dabei ist : Δ I L% = 100 (I L I K ) / IK (2) also die prozentuale Abweichung des I L vom I K der jeweiligen Quelle.

Versuch E 2: Auswertung Seite 9 Alle Oszillogramme müssen vollständig beschriftet sein. Zu 1.1.1 (Übertragungskennlinie): Lesen Sie bei jeder Kennlinie den Wert des I DS ab. Entnehmen Sie bei jeder Kennlinie den Wert der Steigung g m für folgende I D Werte: 0,5 I DS und I DS. Erläutern Sie in Stichworten die physikalischen Effekte, welche für die Unterschiede im Verhalten bei Raumtemperatur und bei 60 o C verantwortlich sind. Wenn ein bei der Messung beteiligtes Gerät mit einer zusätzlichen Schaltung ausgestattet würde, dann könnte man die Bedingung U DS = const. tatsächlich einhalten. Erläutern Sie in Stichworten, was diese zusätzliche Schaltung bewirken müsste. Zu 1.1.2 (Ausgangskennlinie): Zeichnen Sie auf jeder Kurve die Sättigungsgrenze U DS sat ein. Ermitteln Sie auf allen Kennlinie den Wert des differenziellen Ausgangswiderstandes r DS, und zwar für U DS = 0V, U DS sat und 12V. Zu 1.2.1 (Übertragungskennlinie): Ermitteln Sie die Steilheit g m bei allen Kennlinien, beim Stromwert I D = 10 ma. Zu 1.2.2 (Ausgangskennlinie): Zeichnen Sie auf jeder Kurve die Sättigungsgrenze U DS sat ein. Bestimmen Sie den r DS auf allen Kennlinien, sowohl bei U DS = 0V als auch nahe dem Maximalwert von U DS. Zu 2. (Stromquellen): Berechnen Sie den Innenwiderstand R i jeder Quelle, sowohl im Kurzschlussfall als auch bei R L = R L max, nach der Formel: Ri = R S + r DS (g m R S + 1) (2)

Versuch E 2: Anhang 1: Datenblatt BF 245C Seite 10

Versuch E 2: Anhang 1: Datenblatt BF 245C Seite 11

Versuch E 2: Anhang 1: Datenblatt BF 245C Seite 12 Auszug aus: http://www-eu2.semiconductors.com/acrobat/datasheets/bf245a-b-c_2.pdf

Versuch E 2: Anhang 2: Datenblatt BF 999 Seite 13

Versuch E 2: Anhang 2: Datenblatt BF 999 Seite 14

Versuch E 2: Anhang 2: Datenblatt BF 999 Seite 15 Auszug aus: http://www.infineon.com/cmc_upload/documents/009/100/bf999.pdf