LABORÜBUNG Feldeffekttransistor Letzte Änderung: 14.4 2005 Lothar Kerbl Inhaltsverzeichnis Überblick... 2 Messaufgabe 1: Steuerkennlinie n-kanal j-fet... 2 Steuerkennlinien von MOS-FETs... 4 Theoretische Kennlinie eines selbstleitenden FETs... 4 Theoretische Kennlinie eines selbstsperrenden FETs... 5 Messaufgabe 2 : Der FET im Triodenbereich... 6 Lothar Kerbl 14.04.2005 Seite 1 von 7
Überblick In diesen Laborübung lernst du das Gleichsignalverhalten (Arbeitspunkteinstellungen, Steilheit, Ausgangswiderstand) von Feldeffekttransistoren kennen. Folgende Begriffe solltest du aus dem Theorieunterricht bereits kennen: FETs werden bezüglich ihrer Bauart unterschieden j-fet MOS-FET Man kann FETS bezüglich der Lage ihrer Steuerkennlinie bezüglich der Steuerspannung 0Volt unterscheiden: Selbstsperrend ( Enhancement Type ) Selbstleitend ( Depletion Type ) j-fets sind prinzipiell selbstleitend. Bei ihnen darf die Steuerspannung nur im Sinne einer Verringerung der Ansteuerung verändert werden. Von FETs gibt es in der Regel zwei Typen n-kanal FETS p-kanal FETS In diesem Skriptum und in den Laborübungen werden nur n-kanal FETs behandelt. Ein FET kann (vereinfacht) als eine spannungsgesteuerte Stromquelle betrachtet werden, zumindest dann, wenn die Spannung zwischen Source und Drain groß genug ist. Der gesteuerte Strom fließt zwischen Drain und Source, die steuernde Spannung wird zwischen Gate und Source angelegt. Die Steuerkennlinie entspricht einer Parabel Im Bereich kleiner Spannungen zwischen Source und Drain ist eine Steuerung des Drainstromes nicht direkt möglich. In diesem Bereich kann vielmehr die Leitfähigkeit des Drain-Source Kanals durch die Steuerspannung beeinflusst werden. ( Ohmscher Bereich, Triodenbereich) Messaufgabe 1: Steuerkennlinie n-kanal j-fet Der Pentodenbereich eines FET ist der Bereich großer Spannungen zwischen Source und Drain. (näherungsweise gilt für selbstleitende FETs: Die Spannung zwischen Source und Drain ist betragsmäßig größer als die Pinch Off Voltage ) Im Pentodenbereich verhält sich ein FET wie eine gesteuerte Stromquelle. (Der Strom ist fast unabhängig von der Spannung U DS und wird nur durch die Steuerspannung U GS beeinflusst 1 ) 1 Eine geringfügige Abhängigkeit des Drainstromes I D von der Spannung U DS wird durch die Early- Spannung beschrieben. Lothar Kerbl 14.04.2005 Seite 2 von 7
Achtung: Der Pentodenbereich wird bei FETs auch als Sättigungsbereich bezeichnet. Beachte, dass als Sättigungsbereich beim Bipolartransistors genau der entgegengesetzte Bereich (Bereich kleiner Spannungen zwischen Kollektor und Emitter) bezeichnet wird. Für den Pentodenbereich des FET (engl. Saturation region ) sollte daher besser der deutsche Begriff Abschnürbereich gewählt werden. Protokolliere den Zusammenhang zwischen Drainstrom und Steuerspannung I D (U GS ) im Pentodenbereich eines selbstleitenden n-kanal FET. Einzustellende Werte: Stelle insgesamt etwa 10 Punkte für die Steuerspannung U GS ein (zwischen Pinch Off Voltage und 0V 2 ) und justiere den Drainwiderstand jeweils so nach, dass die Drain-Source-Spannung etwa 5V, 7V und 9V beträgt (3 Messreihen!) Beachte beim Schaltungsaufbau die Anschlüsse D, S, G Gemessene Werte (zeichne entsprechende Pfeile in einem Stromlaufplan ein!) U DS U R1 U GS Berechneter Wert (Strompfeil einzeichnen). Beachte die Konvention, dass der Strompfeil in den Bauteil hineinzeigt bezeichnet. I D Überwachte Werte Die im FET umgesetzte Leistung Die im Lastwiderstand umgesetzte Leitung Grafische Darstellung I D (U GS ) 2 0V solltest du durch einen Kurzschluss zwischen Gate und Masse (=Source Potential) einstellen, zur Einstellung anderer Steuerspannungswerte benötigst du eine negative Hilfsspannungsquelle. Aus dieser erzeugst du mit einem Potentiometer die veränderbare negative Steuerspannung. Beachte, dass die Pinch-Off Spannung zwischen verschiedenen FETs desselben Typs variieren kann. Lothar Kerbl 14.04.2005 Seite 3 von 7
Bild 1. Selbstleitender j-fet Die Steuerspannung Ub1 (=U GS ) muss bei einem n-kanal Typ negativ sein, sie muss zwischen der Pinch Off-Voltage und 0V liegen. Steuerkennlinien von MOS-FETs Bild 2. Selbstsperrender MOS-Fet Die Steuerspannung zwischen Gate und Source (U GS )muss bei einem n-kanaltyp positiv sein. Außerdem muss sie größer als die Threshold Voltage (U TH )sein, um den Transistor durchzusteuern ) Aufgabe wie in Messaufgabe 1; U GS wird über ein Potentiometer aus der Versorgungsspannung erzeugt Bei einem selbstsperrenden MOS-FET ist keine negative Hilfsspannungsquelle notwendig. Theoretische Kennlinie eines selbstleitenden FETs Steuerkennlinie eines selbstleitenden FET I DS /ma 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0-6 -4-2 -2 0 U GS /V Bild 3. Steuerkennlinie für den Pentodenbereich (U P = -4V, I DSS = 16mA) Lothar Kerbl 14.04.2005 Seite 4 von 7
Im Pentodenbereich ist der gesteuerte Drainstrom von der Steuerspannung entsprechend einer quadratischen Kennlinie abhängig. Bei selbstleitenden Typen gibt es auf dieser Kennlinie zwei charakteristische Punkte: FETs haben eine quadratische Steuerkennlinie Die Pinch off Voltage U P Solange die Steuerspannung kleiner als die Pinch-off Voltage (U P ) bleibt, ist der Kanal zwischen Gate und Source nicht leitend. Beachte, dass bei n-kanal FETs die Spannung U P negativ ist. Pinch Off Voltage Der Sättigungsstrom I DSS Die Steuerspannung eines selbstleitenden Sperrschicht Typs ( j-fet ) darf nicht wesentlich größer als 0V werden, da in diesem Fall eine Diode im Eingangskreis in Durchlassrichtung leitend wird. 3 Für eine Steuerspannung von 0V stellt sich im Pentodenbereich ein maximaler Strom ein, der I DSS genannt wird. ( Sättigungsstrom - beachte die unterschiedliche Bedeutung des Begriffes Sättigung beim FET und Bipolartransistor) I DSS Sättigungsstrom, der maximale Strom eines selbstleitenden FETs Theoretische Kennlinie eines selbstsperrenden FETs Steuerkennlinie eines selbstsperrenden FET I DS /ma 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0-1 0 1 2 3 4 5 6 U GS /V Bild 4. Steuerkennlinie für den Pentodenbereich (U TH = 2V) Bei einem selbstsperrenden FET definiert man eine Steuerspannung, bei deren Überschreitung die Drain-Source Strecke leitend wird. (U TH, Threshold Voltage ). Bleibt die Steuerspannung U GS kleiner als diese Threshold Voltage, so ist die Drain- Source Strecke gesperrt ) Bei n-kanal MOS-Fets ist U TH positiv. Für den Drainstrom gibt es keine natürliche Begrenzung, du musst sicherstellen, dass der Drainstrom einen erlaubten Maximalwert nicht überschreitet. Threshold Voltage - Schwellspannung 3 Die Steuerkennlinie eines selbstleitenden MOS-FETs gleicht der Steuerkennlinie eines j-fet. Bei n-kanal MOS-FETs darf die Steuerspannung U GS aber anders als bei n-kanal j-fets - positiv werden. Da damit die natürliche Begrenzung des I DSS wegfällt, musst du durch Beschaltung sicherstellen, dass der Drainstrom einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet. Lothar Kerbl 14.04.2005 Seite 5 von 7
Die Steilheit eines Feldeffekttransistors Steilheit ist die Angabe für einen spannungsgesteuerten Verstärker : Der Wert der Steilheit in ma/v (bzw. in A/V) gibt an, wie stark sich ein gesteuerter Strom in Abhängigkeit von einer steuernden Spannung ändert. Die Steilheit wird auch als Transkonduktanz ( Übertragungsleitwert ) bezeichnet. Steilheit ist eine Aussage über einen Verstärker Wenn du den FET als spannungsgesteuerte Stromquelle betrachtest, bei dem durch eine steuernde Eingangsspannung (U GS ) eine Strom (I D ) beeinflusst wird, kannst du die Steilheit eines FET folgendermaßen anschreiben: S FET : = I U Drain Gate, Source Beachte: Lies I Drain als Änderung des Drainstromes (im Arbeitspunkt) und U Gate,Source als Änderung der Spannung U Gate,Source (im Arbeitspunkt) Der Wert für die Steilheit eines FET ist abhängig vom Arbeitspunkt (AP). Dieser Wert ist (näherungsweise) proportional zur Wurzel aus dem Drainstrom im eingestellten Arbeitspunkt (AP) Die Steilheit eines FET ist arbeitspunktabhängig S FET = 2* K * I Drain, AP K:...Konstanter Wert der Dimension A/V² Den Wert der Steilheit für einen Messpunkt kannst du in einer geordneten Tabelle aus jeweils benachbarten Messpunkten errechnen. Du musst dein Messprotokoll um drei Spalten erweitern ( I Drain, U Gate, Source, S FET ) Messaufgabe 2 : Der FET im Triodenbereich Feldeffekttransistoren verhalten sich im Bereich sehr kleiner Spannungen zwischen Drain und Source wie ohmsche Widerstände, deren Widerstandswert durch die Steuerspannung U GS verändert werden kann. Bei Erhöhung der Spannung U DS geht dieser ohmsche Bereich in den Triodenbereich über FETS als gesteuerte Widerstände Bei dieser Messaufgabe verwendest du einen n-kanal j-fet R DS,on ist der kleinste Widerstandswert, der für die Drain-Source Bahn erreicht werden kann. Vergleiche die Eigenschaften von Schaltern im niederohmigen Zustand ( Schalter geschlossen ) idealer Schalter : kein ohmscher Widerstand, umgesetzte Verlustleistung = 0 Lothar Kerbl 14.04.2005 Seite 6 von 7
Bipolartransistor: Restspannung U CEsatt (ca. 0,2V), die umgesetzte Verlustleitung ist proportional zum Strom (I C *U CEsatt ) Feldeffekttransistor: R DS,on, die umgesetzte Verlustleistung: (R DS,on * I D ²) Feldeffekttransistoren werden als Schalter eingesetzt: Schalter für große Leistungen ( R DS,on muss möglichst klein sein) Messstellenumschalter (für hochohmige Spannungsmessungen) Messaufgabe 2: veränderbare Einstellung mehrere konstant bleibende Steuerspannungen U GS werden eingestellt (vier Messreihen bei selbstleitenden Typen zwischen U P und 0V) innerhalb einer Messreihe wird U DS durch Variation des Drainwiderstandes verändert (beginnend mit U DS = 0 bis in den Pentodenbereich) Berechnete Werte: R DS,On Umgesetzte Leitung (im Transistor) Grenze zwischen Triodenbereich und Pentodenbereich 4 * Zusatzaufgabe: Gelingt es dir, aus den Messreihen der Messaufgabe 1 die Early-Spannung (bzw. den Ausgangswiderstand U DS / I G im Pentodenbereich) ermitteln? Hinweis: Als Arbeitspunkt verwende den Wert für U GS,AP = 0V und U DS,AP = 7V 4 Im Pentodenbereich ändert sich der Strom bei einer Veränderung der Spannung U DS fast nicht. Die geringfügige Änderung wird durch die Early-Spannung oder durch den Ausgangsleitwert (Ausgangswiderstand) des FET definiert. Lothar Kerbl 14.04.2005 Seite 7 von 7