Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di transistor BJT e MosFet

Laboratorio IV Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet
Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di transistor BJT e MosFet
Caratteristica del transistor bipolare (BJT)
Il transistor bipolare è uno dei principali dispositivi a semiconduttore utilizzato per
amplificare elettricamente un segnale o come commutatore digitale.
Il transistor bipolare (BJT) è un dispositivo costituito da due giunzioni come
rappresenta in fig. 1.
E
B
C
n
p
n
Vbe
Vcb
Fig. 1 Schematizzazione di un transistor NPN in conduzione
I cristalli di semiconduttore che costituiscono l’emettitore ed il collettore sono drogati
con materiale pentavalente (tipo n) e la base con materiale trivalente (tipo p). La base è
molto sottile (nell’ordine del micron).
Una differenza importante fra collettore e emettitore è rappresentata dai diversi valori di
drogaggio. L’emettitore, fortemente drogato svolge la funzione che, se la giunzione
base- emittore è polarizzata direttamente, inietta elettroni nella base.
Essendo la base poco drogata gli elettroni possono facilmente raggiungere la giunzione
base - collettore (nella base gli elettroni sono portatori minoritari essendo drogata p) e
se questa è polarizzata inversamente cioè il collettore si trova a potenziale positivo
rispetto alla base, gli elettroni possono raggiungere il collettore e dare luogo ad una
corrente (si intende corrente di cariche positive) che dal collettore
raggiunge
l’emettitore.
Alcuni elettroni iniettati dall’emettitore nella base si ricompongono con le poche lacune
presenti essendo la base dotata di pochi atomi droganti di tipo p e formano la corrente
di base - emettitore.
Questo meccanismo può anche essere visto altro modo:
1
Laboratorio IV Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet
se nella giunzione base - emettitore passa una corrente Ib, allora l’emettitore emette
elettroni che a causa del minimo spessore della base possono raggiungere il collettore e
formare una corrente Ic molto più grande della Ib.
Un transistor di questo si chiama bipolare (BJT) perché la conduzione avviene sia per i
portatori maggioritari nell’emettitore e collettore che per portatori minoritari nella base.
Esistono due tipi di transistor: il tipo NPN di cui si è parlato ed il cui simbolo è
rappresentato il fig. 2a ed il transistor PNP presentato in fig. 2b. Si differenziano fra
loro per il disegno dell’emettitore, la cui freccia per il tipo PNP sta ad indicare che si
iniettano buchi nella base.
C
B
C
B
NPN
PNP
E
E
Fig.2a Transistor npn
Fig. 2b Transistor pnp
Considerando il transistor come una scatola nera si può definirlo come un quadripolo
avente due morsetti di ingresso e due di uscita. Per il suo utilizzo si richiede pertanto di
conoscere le caratteristiche di ingresso e di uscita.
Lo schema elettrico consigliato è presentato in fig. 3 dove il transistore è collegato ad
emettitore comune.
TIP 31
Vbb
uA
B
mA
C
E
Vce
Vbe
V
Ib
V
10k
Ic
Vcc
quadripolo in esame
Fig. 3 Schema elettrico per ricavare le caratteristiche di un transistor
Il comportamento del transistor collegato in questo modo è la seguente: facendo passare
una piccola corrente Ib dentro la base si ottiene un grande passaggio di corrente Ic sul
collettore. Il rapporto di amplificazione e definito come:
βf = hFE = Ic/Ib
2
Laboratorio IV Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet
Questa amplificazione è generalmente compressa fra 30 e 500 e dipende oltre che dalla
sua costruzione, anche dalla temperatura del transistor, infatti l’espressione della
corrente in una giunzione, data nell’esperimento del diodo:
I d = I 0 (e
Vd
ηVT
− 1)
dipende dalla temperatura assoluta sia nella corrente I0 che nel valore dell’esponente. A
parità di tensione applicata ai capi della giunzione, aumentando la temperatura aumenta
la corrente nella giunzione. Per evitare che le caratteristiche che si stanno ricavando
siano compromesse dal forte aumento della temperatura del transistor è necessario
limitare la potenza dissipata soprattutto nel circuito di collettore disegnando, prima di
iniziare le misure, la curva di massima potenza:
Pmax = Vce Ic
che nel piano Ic = f(Vce) è rappresentata da un iperbole.
Un transistor disponibile in laboratorio è del tipo NPN con sigla TIP 31 e può dissipare
al massimo 2W, pertanto se la tensione Vce è 2V si può far passare 1A, mentre con Vce
= 6V la Ic diventa 0,33A, infine per Vce = 12V la Ic si riduce a 0,16A.
Si richiede di ricavare la famiglia di curve Ic = f(Vce) per Ib = costante come
presentato in fig. 4 costruendo la tabella 1.
Ic mA
200
600µA
500µA
150
400µA
300µA
100
200µA
50
100µA
2
4
6
8
10
Fig. 4 Caratteristica Ic = f(Vce) per Ib = costante
Procedimento:
-
Impostare una corrente di base 50 µA letta sul tester analogico
-
Leggere la tensione Vbe sul tester digitale
-
Variare la tensione Vce e leggere la corrente indicata dal generatore.
12
Vce V
3
Laboratorio IV Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet
-
Impostare una corrente di base 100 µA e rifare le misure cambiando Vce
Ib µA
Vce Volt
Vbe Volt
Ic mA
50
0
-------
-------
50
0,5
-------
-------
50
1
-------
-------
50
-------
------
-------
50
12
-------
-------
100
0,5
-------
-------
100
0
-------
-------
100
-------
-------
-------
100
12
-------
-------
Tabella 1
Ricavare una famiglia di curve per valori di corrente di base fino a 500 µA
Dagli stessi dati si può ricostruire la famiglia di curve per Vbe = f(Ib) con Vce = cost
come presentato in fig. 5
Graficare βf = f(Ic) per Vce = 6 V
tensione Vbe Volt
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
200
400
600
800
corrente Ib uA
Fig. 5 Tensione di base in funzione della corrente di base per Vce = 6 V
4
Laboratorio IV Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet
Dalle caratteristiche ricavate si può osservare che:
Impostando una corrente Ib si ha un passaggio di corrente Ic cioè la corrente di
comando Ib risulta essere amplificata di un fattore βf poco dipendente da Vce quindi in
prima grossolana approssimazione si può ritenere che l’uscita (collettore emettitore) del
nostro quadripolo sia rappresentabile da un generatore di corrente il cui valore vale
Ic = βf Ib
La dipendenza della temperatura si può osservare dal fatto che la corrente Ic a parità di
Ib cambia se il transistor si scalda.
Dalla caratteristica di ingresso Vbe = f(Ib) si osserva che la tensione Vbe risulta essere
compresa fra 0,5 e 0,7 cioè circa costante ed è assimilabile al modello del diodo.
In definitiva dalle caratteristiche ricavate si può ritenere che il transistor sia
rappresentabile dal modello presentato in fig. 6 in cui l’ingresso è costituito da una
resistenza Rπ di circa 500Ω
Ω ed un generatore Vγ di 0,5 V oppure per semplificare solo di
una Vσ di 0,7 V. L’uscita è composta da un generatore di corrente di valore βfIb.
.
.
Rπ
.
Vγγ
.
.
β f Ib
Fig. 6 Modello di transistor BJT
Sistema di Acquisizione dati (DAQ)
Nel laboratorio IV è disponibile un sistema di rilevamento delle caratteristiche di
transistor BJT e MOS mediante l'uso di un'interfaccia collegata ad un calcolatore.
Lo studente è perciò libero di scegliere se usare il sistema manuale o automatico
L'interfaccia che collega il calcolatore ed il quadripolo in esame (transistor) è situata
all'interno del calcolatore e non è (di norma) accessibile allo studente.
L'interfaccia invia due tensioni VBB e VCC e misura due tensioni VBE e VCE.
I collegamenti da effettuare sulla basetta porta transistor sono illustrati nella fig. 7.
Per misurare la corrente che circola nella base IB del transistor il software disponibile
effettua l' operazione:
5
Laboratorio IV Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet
IB =
VBB − VBE
RB
IC =
VCC − VCE
Rc
mentre la corrente IC
VCC
R2
1k
IC
VBB
100k
IB
VCE
VBE
U1
R1
VBB
VBE
VCE
G
G
0
Fig.7 Disposizione dei collegamenti da effettuare per il sistema di acquisizione.
Sono da collegare i generatori VBB e VCC; VBE e VCE, sono tensioni dal leggere.
Le operazioni che il software produce sono:
1) Genera una tensione VBB che produce nella base una corrente IB;
durante questa fase viene applicata una tensione VCC che nel tempo si incrementa. Ad
ogni incremento di VCC viene misurata la tensione VCE e calcolata la corrente IC. La
tensione Vcc può essere incrementata fino a 10V con passi da impostare dal pannello di
controllo.
Per ogni valore di IB si ha una curva IC = f (VCE) per IB = costante.
2) Il programma incrementa la VBB di uno “step” e si ripete nuovamente il ciclo di VCC.
Si ottiene una famiglia di curve per IB = cost
Il grafico in funzione del tempo delle tensioni generate è presentato in fig. 8.
Controllare con l’oscilloscopio a memoria e facendo uso dei “probe” disponibili le
tensioni che genera l’ interfaccia.
Modo di operare
Cliccare sull’icona “Caratteristiche di uscita del transistor” Il programma presenta sul
monitor il pannello di controllo con impostazioni di “default”. Lo studente deve
cambiare le impostazioni in modo da acquisire un numero di dati sufficienti per la
6
7
Laboratorio IV Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet
successiva elaborazione (eventualmente con Excel disponibile in laboratorio),
calcolando il numero finale di dati che si ottengono.
Esempio: se si impostana Vcc finale fino a 10V con step di 0,1V si ottengono per ogni
curva 100 punti. Se si imposta una VBB fino a 3V con step di 0,1 V si ottengono 30
curve.
Impostare il valore della resistenza di collettore Rc. Per calcolare questo valore bisogna
conoscere la massima corrente che il generatore Vcc può fornire (nel nostro caso risulta
di 10 mA). Se il transistor conducesse moltissimo al limite la tensione VCE risulterebbe
R C min =
uguale a zero, perciò
VCC − VCE VCC 10
= 1kΩ
≈
=
10
10 10
Impostare il valore della resistenza RB. Per calcolare questo valore si può ricordare che
il βf dei transistor BJT è compreso fra 50 –300, quindi la corrente di base massima sarà
I BMAX =
I CMAX 10
≈ 0,2 ÷ 0,03mA
=
βf
βf
Applicando una VBB di 3V si ottiene una RB di:
RB =
3 − 0,7
≈ 11 ÷ 76kΩ
I BMAX
VBB
t
VCC
t
Fig. 8 Forme d’onda di VCC e VBB generate dall’interfaccia fra
calcolatore e sistema in esame
Laboratorio IV Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet
Ricordare che questi valori sono solo indicativi: si può aumentare la VBB ed aumentare
contemporaneamente il valore della RB. Lo studente è libero di provare.
Impostati questi valori sul pannello di controllo e realizzati i collegamenti fra la basetta
e l’interfaccia con i componenti (il transistor è già montato sulla basetta disponibile ed è
un transistor npn di bassa potenza), si può lanciare il programma.
Alla fine dell’acquisizione verrà presentata la famiglia di curve e richiesto se si
vogliono salvare i dati. Sarebbe preferibile salvare solo i dati interessanti per non
intasare il disco fisso. Il file così generato può essere elaborato con il programma Excel
per ricavare il βf del transistor
Nel caso si usasse il sistema DAQ, la potenza generata dalla scheda di interfaccia risulta
essere molto piccola rispetto alle possibilità di dissipazione del transistor in esame ed è
perciò inutile disegnarla, ma si potrebbe provare disegnare la curva di massima potenza
per PMAX = 20mW ed abbinarla alla famiglia di curve ricavate.
Caratteristiche di ingresso
Con lo stesso circuito si può anche ricavare la famiglia IB = f(VBE) per Ic = cost.,
usando il programma “Caratteristiche di ingresso”.
Anche in questo caso alla fine del ciclo di acquisizione si può memorizzare il file.
Osservare che la tensione base – emittore del transistor rimane entro i limiti 0,5 – 0,7 V.
Transistor MOSFET
Il transistor Mosfet è un altro tipo di “device” a semiconduttore attualmente molto usato
soprattutto nei circuiti logici dei calcolatori, memorie, CPU ecc.
A differenza del transistor BJT, che richiede una corrente di base come comando, il
Mosfet è comandato da una tensione.
La struttura di un transistor MosFet a canale n ad arricchimento è disegnata in fig. 9
S
G
D
isolante
n-
np
Fig. 9 Struttura di un MosFet
8
9
Laboratorio IV Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet
Gli elettrodi drain e source sono collegati a pozzetti di semiconduttore fortemente
drogati con materiale pentavalente (n), il substrato è drogato debolmente p, quindi
applicando una tensione positiva fra drain e source non si ha passaggio di corrente.
Applicando una tensione positiva fra gate e source si inducono delle cariche negative
nel substrato al di sotto dell’isolante, come in un comune condensatore (si addensano
elettroni liberi, ceduti dai pozzetti fortemente drogati e dal substrato). In questo caso si
può avere passaggio di corrente fra drain e source dovuto ad elettroni.
Da notare che è sufficiente una tensione applicata all’ elettrodo di gate per provocare
una corrente fra drain e source.
Il simbolo del del Mosfet è rappresentato in figura 10 (si usano in alternativa anche altre
rappresentazioni):
C
D
D
B
G
E
transistor BJT npn
G
S
MosFet canale n
S
MosFet canale p
Fig. 10 Simboli usati per rappresentare i transistor BJT e MosFet
Il gate G è l'elettrodo di comando. Applicando una tensione positiva (per il tipo a canale
n ad arricchimento, come quelli disponibili in laboratorio) si abilita un passaggio di
corrente fra D (Drain) e S (Source) se VDS è positiva.
Il MosFet a canale n richiede una tensione positiva sul Drain rispetto al Source mentre il
canale p richiede una tensione negativa.
Sono disponibili 4 tipi di MosFet:
canale p ad arricchimento
canale p a svuotamento
canale n ad arricchimento
canale n a svuotamento
ma l'approfondimento di questi "device" esula dal contesto di laboratorio IV e verrà
ripreso nei corsi di Elettronica.
Una famiglia di caratteristiche di uscita di un Mosfet a canale n ad arricchimento è
rappresentata in fig. 10.
Laboratorio IV Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet
ID mA
10
3,5VGS
8
3,4=VGS
6
4
3,3=VGS
3,2=VGS
2
3,1=VGS
3=VGS
2
4
6
8
10
VDS
Fig. 10 Caratteristica ID = f(VDS) per VGS = costante
In fig. 11 è presentato lo schema elettrico da realizzare ed i quattro collegamenti
necessari per il funzionamento dell’ interfaccia ed il software relativo. Anche in questo
caso la resistenza R2 è necessaria perché l’interfaccia è in grado di leggere solo tensioni
e non correnti.E’ inutile la resistenza R1,infatti, come detto precedentemente, nel GATE
non circola corrente.
VDD
R2
.
R1
VGG
10k
D
1k
ID
.
G
MOSFET N
S
VDS
VGS
Fig. 11 Schema da realizzare per ricavare le caratteristiche di un MosFet
Analizzando i dati ricavati, si può costruite una curva Id = f(VGS) per VDS = cost. e
Verificare se rappresenta una parabola.
Nell' appendice sono rappresentati i pannelli di controllo che compaiono sul monitor del
calcolatore con valori di “default”. E’ compito dello studente cambiarle per ottenere il
miglior risultato.
10