et3 mosfet

Gemeinsames
Grundpraktikum
MOSFET
Ziel:
Versuch-Nr.:
ET3
Kennenlernen und Untersuchen der Funktionen und Anwendungsgebiete eines N-Kanal
MOSFET(N-Channel Enhancement Mode FET).
Für diesen Versuch ist der Lehrstuhl
Nanoelektronik
Prof. Dr. Hermann Kohlstedt
verantwortlich. Sollten Sie Erweiterungs- oder Verbesserungsvorschläge für diesen Versuch haben,
so melden Sie sich bitte bei diesem Lehrstuhl.
Einige Versuchsteile sollen vor der Versuchsdurchführung d.h. während der Versuchsvorbereitung durchgeführt werden. Solche Versuchsteile sind im Text
kursiv
gesetzt und mit dem Wort
(Vorbereitungsaufgabe) gekennzeichnet.
Zu diesem Versuch ist ein Abschluss-Protokoll zu erstellen.
Stand: 11. November 2016
Inhaltsverzeichnis
Bezeichnungen
3
1
Grundlagen
4
1.1
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.2
Feldeekttransistor (FET), MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.2.1
5
1.2.2
Aufbau und Funktion eines n-Kanal MOSFET
. . . . . . . . . . . . . . .
Qualitative Erklärung der Arbeitsbereiche von MOSFETs (hier NMOSFET, enhancement Mode) anhand des Kanalmodells . . . . . . . . . . . .
2
3
1.2.3
Arbeitspunkt
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4
MOSFET als Schalter
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
10
11
Versuchsdurchführung
13
2.1
Aufnahme der Steuerkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
2.2
MOSFET als Schalter
16
2.3
MOSFET als analoger Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.3.1
19
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltungsaufbau und Wahl des Arbeitspunktes . . . . . . . . . . . . . . .
Abschluss-Protokoll
23
Literaturverzeichnis
23
2
Bezeichnungen
Bezeichnung
Titel
Einheit, ggf. Gröÿe
UDS
Drain-Source-Spannung
[V]
UGS
Gate-Source-Spannung
[V]
ID
Drain-Strom (Kanalstrom)
[A]
UTh
Schwellenwertspannung
[V]
U1
Eingangsspannung
[V]
Ua
Ausgangsspannung
[V]
µn
Beweglichkeit der Elektronen
[m /Vs]
µp
Beweglichkeit der Löcher
[m /Vs]
λ
Kanallängenmodulationsparameter
[1/V]
r
Dieelektrizitätszahl
0
Dielektrizitätskonstante
8, 85 · 10−12
K
Kennlinienparameter
[A/V]
dSiO2
Gateoxiddicke
[m]
W
Gate-Weite
[m]
L
Gate-Länge
[m]
S , g , gDS
Dierentieller Leitwert
[S] Siemens oder [1/Ω]
3
2
2
As/(Vm)
1 Grundlagen
1.1 Einleitung
Die Bezeichnung Transistor leitet sich aus den beiden englischen Wörtern transfer und resistor
ab und bedeutet steuerbarer Widerstand. Dies liegt in der Funktion begründet, denn der
Transistor wird als steuerbarer Widerstand (elektronischer Schalter) und als eine steuerbare
elektronische Quelle (Verstärker) verwendet. Der Transistor stellt die Grundlage der modernen Mikroelektronik dar und ist das elementare Bauelement der Halbleitertechnologie. Kurz:
moderne Unterhaltungselektronik und Informationstechnik wären ohne Transistoren gar nicht
möglich. Weitere Anwendungsgebiete existieren darüber hinaus auch in der Leistungselektronik
(z.B. Power-MOSFET).
Man unterscheidet zwei grundlegende Typen von Transistoren: Den
den
Feldeekttransistor
Bipolartransistor
(BJT) und
(FET). Das unterschiedliche Funktionsprinzip wird beim Ladungstrans-
port deutlich, da beim BJT Ladungen beider Polaritäten (bipolar) an einem Stromuss beteiligt
sind und beim FET hingegen nur unipolarer Ladungstransport stattndet. Dieser Versuch behandelt die FETs und hierbei exemplarisch den MOSFET (metal oxide semiconducter field eect
transistor).
1.2 Feldeekttransistor (FET), MOSFET
Integrierte Schaltkreise bestehen aus einer Vielzahl von Transistoren auf einem Chip. Recherchieren Sie die aktuellen Strukturbreiten von Transistoren und die
ungefähre Anzahl von Transistoren auf einer modernen CPU!
Vorbereitungsaufgabe 1
1 meldete der Physiker Julius Edgar Lilienfeld ein Patent mit der Bezeichnung Eine
Bereits 1925
Methode und Vorrichtung zum Steuern vom elektrischen Strom an und begründete damit das
Funktionsprinzip des Feldeekttransistors. Dieser basierte allerdings noch nicht auf Halbleitermaterial und konnte zur damaligen Zeit nicht zufriedenstellend hergestellt werden. Erst mit dem
Durchbruch der Halbleitertechnologie und der Möglichkeit, hochreines Silizium und extrem saubere Grenzächen herzustellen und gezielt zu dotieren, konnte der FET Anfang der 1970er Jahre
immer mehr zum Einsatz kommen und fand in den 1980er Jahren endgültig zum technologischen
2
Durchbruch .
1
2
Julius Edgar Lilienfeld, geb. 18. April 1882 in Lemberg, gest. 28. August 1963 in Charlotte Amalie (Virgin
Islands), Physiker.
Bipolar-Transistoren, sowie FETs auf Germaniumbasis statt Silizium, gab es schon früher.
4
ET3: MOSFET
1.2.1 Aufbau und Funktion eines n-Kanal MOSFET
Die Herstellung eines MOSFET erfolgt in planarer Herstellungstechnologie basierend auf hochreinem Silizium, in welchem gezielt Fremdatome eingebracht werden (Dotieren, lat. dotare ausstatten). Häug werden hierbei in einem p-dotierten (mit Akzeptoren, z.B. Bor) Substrat zwei
n-dotierte Bereiche (mit Donatoren, z.B. Phosphor), zwischen denen ein Stromuss stattnden
soll, in einem bestimmten Abstand zueinander erzeugt (n-Kanal MOSFET, Abb. 1.1). Findet
hingegen ein Stromuss zwischen zwei p-Gebieten in einem n-Substrat statt, so spricht man von
einem p-Kanal MOSFET. Die abschlieÿende Erstellung der Kontaktächen für den MOSFET
erfolgt über Fotolithographie und diverse Ätzprozesse.
Abbildung 1.1:
Für
UGS = 0
(bzw.
UGS ≤
MOSFET im Sperrbereich
der Schwellenspannung
UTh )
bendet sich der Transistor im Sperrzu-
stand, da die Majoritätsladungsträger (Defektelektronen, bzw. Löcher) des p-Substrats einen
Stromuss zwischen den Anschlüssen Source (S) und Drain (D) verhindern. Unabhängig von der
Polarität der Source-Drain-Spannung
Ziel ist es nun, über die Spannung
UDS
UGS
ist immer eine pn-Diode in Sperrrichtung geschaltet.
ein elektrisches Feld zwischen
Gate
(G) und
Bulk
in der
Art zu erzeugen, dass die Minoritätsladungsträger (freie Elektronen) des p-Substrats in Richtung
Gate und die Majoritätsladungsträger in Richtung Bulk beschleunigt werden. Dies bewirkt unter
dem Gateoxid eine Kompensation der Löcher (Defektelektronen) und schlieÿlich eine zunehmende
Abbildung 1.2:
MOSFET im Widerstands- (links) und im Sättigungsbereich (rechts)
5
ET3: MOSFET
Anreicherung an freien Elektronen. Es ndet eine Ladungsträgerinversion statt und ein Stromuss zwischen den n-Gebieten Source und Drain ist nun möglich. Aus einer Abfolge n-p-n ohne
Gatespannung wurde ein Gebiet mit n-n-n Leitung. Die elektrische Verbindung zwischen Source
und Drain ist damit realisiert. Zwischen Gate und Bulk muss sich also bei angelegter Spannung
UGS
eine Kapazität ausbilden, die eine Ladungstrennung im Silizium bewirkt. Die sich bildende
Anreicherungsschicht an freien Elektronen wird als Kanal (
channel ) bezeichnet (vgl. Abb. 1.2,
rechts).
Dieser MOSFET-Typ, der auch Gegenstand des Versuches ist, wird daher vollständig als n-Kanal
MOSFET (Anreicherungstyp)' bezeichnet (n-channel enhancement mode FET).
1.2.2 Qualitative Erklärung der Arbeitsbereiche von MOSFETs (hier
NMOSFET, enhancement Mode) anhand des Kanalmodells
Als Kanal wird hier die Inversionsschicht bezeichnet, die eine elektrisch leitende Verbindung
zwischen den Diusionsbereichen Source und Drain aufgebaut werden kann.
1) Sperrbereich
Bei
ID
[UGS ≤ UTh ] (und damit auch bei [UGS = 0 V ], Selbstsperrung) kann kein Drain-Strom
ieÿen, da sich zwischen dem Source- und dem Drain-Kontakt zwei pn-Übergänge und
kein Kanal benden. Das gilt grundsätzlich bei jeder möglichen Einstellung von
UDS .
2) Linearer (Widerstands) Bereich
Ein positives Gate-Source-Potential verursacht eine Inuenzwirkung. Dadurch nimmt
die Löcherdichte ab und die Elektronendichte zu. Es kommt zur Ausbildung einer
Raumladungszone (Löcherverarmung durch Elektronenüberschuss) direkt unter der GateElektrode. Wird
UGS
genügend groÿ (gröÿer als die Schwellspannung
UTh ), so steigt in dem
Raumsegment unter dem Gate und somit zwischen den n-dotierten Source- und DrainBereichen die Elektronenkonzentration, bis sich schlieÿlich das ursprüngliche p-dotierte
Silizium im Kanalbereich wie n-dotiert verhält (Einsetzen der starken Inversion, keine pnDioden mehr!). Man interpretiert das sprachlich so, das man sagt: es bildet sich als Inversionsschicht ein n-leitender Kanal zwischen Source und Drain. Wird jetzt die Spannung
[UDS > 0 V ]
angelegt, so ieÿt ein Drain-Strom
Solange sich die Spannung
UDS
ID .
im Bereich bis
UGS − UT h (also über Null, aber noch
ID mit steigender Spannung UDS
unterhalb der Schwellengrenze) bendet, steigt der Strom
linear an (entsprechend steigt die Elektronendichte im Kanal proportional). Das entspricht
dem Ohm'schen Gesetz und man darf den MOSFET in diesem Bereich als steuerbaren
Widerstand betrachten. Das gilt aber nur, solange für die gesamte Ausdehnungslänge des
Kanales die Spannung
UGC
(Gate-Kanal-Spannung) über
UTh
liegt.
In diesem Bereich ändern sich die Dimensionen (Länge und Breite) des Kanales nicht
(Kanallängenmodulationsfaktor
= 0),
Stromänderungen können nur durch Änderung der
Ladungsträgerkonzentration im Kanal erklärt werden. Es ist oensichtlich, dass mit steigendem
UGS
die Anzahl der freien Elektronen im n-Kanal immer mehr zunimmt, der Kanal
6
ET3: MOSFET
sich ausweitet und somit der Stromuss zwischen Source und Drain in Abhängigkeit von
UGS
steigt. Dieser Drainstrom
erzeugt jedoch ebenfalls einen Spannungsabfall entlang
des Kanals, welcher in Richtung Drain zunehmend positiv wird, so dass das E-Feld dort
abgeschwächt und somit auch die Tiefe des Kanals in Richtung Drain immer geringer wird
(Abb. 1.2, rechts). Dies hat zur Folge, dass der Drainstrom nicht endlos gesteigert werden
kann, sondern durch die Drainspannung
UDS
begrenzt wird, da diese ab einer bestimmten
Spannung den Kanal ganz unterdrückt. Dieser Grenzbereich wird als Sättigungsbereich
eines Transistors bezeichnet.
3) Sättigungsbereich
Erhöht man nun die Spannung
UDS
über den Wert von
[UGS − UTh ],
so nimmt die La-
dungsträgerkonzentration (Elektronendichte) im Kanal wieder ab. Dies passiert zuerst am
Drain-Ende des Kanals. Unterschreitet die Spannung
Drain-Ende den Wert
UTh ,
UGD
(Gate-Drain-Spannung) am
so wird die Inversionsbedingung verletzt, man spricht von
einer Kanalabschnürung. Der vormals lineare Zusammenhang zwischen
ID
und
UDS
geht
verloren.
ID , die nun abknickt und langsam in die
Steigung Null einläuft (parallel zur x-Achse, wo UDS aufgetragen wird, siehe Ausgangskenn-
Man erkennt dies auch an der Stromkennlinie
linienfeld in Abbildung 1.5). Da Source am Minuspol und Drain am Pluspol der Laborquelle angeschlossen sind und über die Gate-Elektrode ein geometrisches Flächenpotential
angelegt ist, fällt die Source-Drain-Spannung längs des Kanals ab. Dadurch verringert sich
das entsprechende ortsabhängige Potential, je weiter man von Source in Richtung Drain
wandert. Die im Gate-Kanal abfallende Spannung verringert sich also ortsabhängig. Daraus
folgt u.a., dass die Spannung zwischen Source und Gate gröÿer als zwischen Gate und Drain
ist. Man sagt, dass der Kanal mit zunehmender Spannung
UDS
zuerst auf der Drain-Seite
abgeschnürt wird.
Damit wird praktisch die Kanalverbindung zwischen Source und Drain unterbrochen. Dieser Vorgang wird auch durch den sogenannten Kanallängenmodulationsfaktor beschrieben.
Konkret wandert mit zunehmender Spannung
UDS
das Kanalende in Source-Richtung. Da-
durch baut sich zwischen dem Endpunkt des verkürzten Kanales und dem Drain-Bereich
eine Raumladungszone auf. An Ende des Kanales verlassen die Elektronen den Kanal und
werden in diese Raumladungszone injiziert. Das zwischen Kanalende und Drain-Elektrode
bestehende elektrische Feld sorgt für einen kontinuierlichen konstanten Stromuss
ser Sättigungsstrom
ID . Die-
ID ieÿt somit durch die ursprüngliche zuvor vom Kanal belegte Raum-
zone. Ladungsträger können also sehr wohl auch ohne ausgebildeten Kanal den nunmehr
abgeschnürten Raumbereich durchqueren, allerdings bewirkt eine weitere Zunahme von
UDS
keine (bzw. nur noch geringfügige) Zunahme von
ID .
Man unterscheidet daher drei Betriebszustände des Transistors:
i) Sperrbereich: (UGS
≤ UTh , UDS ≥ 0)
ID = 0
7
(1.1)
ET3: MOSFET
> UTh , 0 ≤ UDS ≤ UGS − UTh )
UDS
ID = K UGS − UTh −
UDS · (1 + λUDS )
2
ii) Linearer- / Widerstandsbereich: (UGS
iii) Sättigungsbereich: (UGS
(1.2)
> UTh , UDS > UGS − UTh )
ID =
K
(UGS − UTh )2 · (1 + λUDS )
2
(1.3)
λ beschreibt die Stärke der Unterdrückung und somit die Längenänderung des Kanals.
Kanallängenmodulationsfaktor genannt. In dem Parameter K sind materialspezische Daten wie die Ladungsträgerbeweglichkeit µn für Elektronen bzw. µp für Löcher, die
Dielektrizitätszahlen ε0 und εr , die Breite des Bauelements W , die Dicke der Siliziumdioxidschicht dSiO2 und die Kanallänge L enthalten (siehe Abb. 1.3):
Der Faktor
Er wird daher K=
µ n ε0 ε r W
·
dSiO2 L
(1.4)
Häug ndet sich in den Datenblättern von Transistoren eine graphische Darstellung deren Verhaltens über sogenannte Kennlinienfelder, in denen der Zusammenhang zwischen den verschiedenen Strömen und Spannungen dargestellt ist. Hierbei werden vier Kennlinienfelder unterschieden,
welche üblicherweise in den vier Quadranten eines kartesischen Koordinatensystems aufgetragen
werden. In diesem Vierquadrantenkennlinienfeld nden sich folgende Kennlinien: Eingangskennlinienfeld, Stromsteuerkennlinienfeld, Ausgangskennlinienfeld und Spannungsrückwirkungskennlinienfeld. Für die Betrachtung des MOSFETs konzentrieren wir uns auf das Stromsteuer- und
das Ausgangskennlinienfeld. Abbildung 1.4 und 1.5 zeigen das typische Steuer- und Ausgangskennlinienfeld des MOSFET. Mit ihnen lässt sich das Verhalten des MOSFET genau beschreiben.
Abbildung 1.3:
Geometrischer Aufbau eines MOSFET
8
ET3: MOSFET
Abbildung 1.4:
Die
Steuerkennlinie
beschreibt
Beispiel für eine MOSFET Steuerkennlinie
die
Abhängigkeit
des
Drainstromes
von
der
Gate-Source-
Spannung. Die Steilheit berechnet sich über die Ableitung der Tangente an einem Punkt der
Steuerkennlinie des MOSFET und gibt Auskunft über die Empndlichkeit des Steuerverhaltens
(Stromverstärkungsfaktor). Der dierenzielle Leitwert ist deniert durch
S=g=
∂ID
∂UGS
.
(1.5)
Das Ausgangskennlinienfeld (Abb. 1.5) beschreibt die Abhängigkeit des Drainstromes von der
Drain-Source-Spannung für bestimmte Gate-Source-Spannungswerte
UGS
. Gut zu erkennen sind
die verschiedenen Betriebsbereiche des MOSFET. Über eine Arbeitsgerade kann man den optimalen Arbeitspunkt (AP) bestimmen. Der dierentielle Ausgangsleitwert des MOSFET entspricht
der Steigung der Kennlinie im Ausgangskennlinienfeld und beschreibt die Widerstandsveränderung (Verstärkung) des MOSFET. Die Steigung ist deniert durch
gDS =
∂ID
∂UDS
9
.
(1.6)
ET3: MOSFET
Abbildung 1.5:
MOSFET Ausgangskennlinienfeld
1.2.3 Arbeitspunkt
Im Betriebszustand des MOSFET als Verstärker ist die Bestimmung eines Arbeitspunktes über
einen DC-Oset (Vorspannung) erforderlich, d.h. eines Betriebspunktes, in dem sich der MOSFET im Ruhezustand bendet, wenn kein Signal anliegt. Ziel ist es hierbei, den AP so zu
wählen, dass ein zweckmäÿiger Bereich der Ausgangskennlinie des MOSFET genutzt werden
3
kann . Dies kann z.B. bei einer Wechselstromverstärkung bedeuten, den AP möglichst mittig
im Sättigungsbereich der Ausgangskennlinie zu legen, damit sowohl der maximale positive, wie
auch der maximale negative Spannungsbereich des Eingangssignales verstärkt wird. Damit der
DC-Oset nicht das zu verstärkende Signal beeinusst, wird ein geeigneter Koppelkondensator
verwendet. Der AP kann über den Schnittpunkt einer Arbeitsgeraden mit einer der Kennlinien
des Ausgangskennlinienfeldes des MOSFET bestimmt und anschlieÿend in der Schaltung über
einen Spannungsteiler realisiert werden. Die Bestimmung der Arbeitsgeraden erfolgt über die Verbindung der Punkte
UDS |ID =0
und
ID |UDS =0
im Ausgangskennlinienfeld und ist formal deniert
durch eine Geradengleichung. Die Berechnung der Arbeitsgeraden erfolgt über die Gleichung
ID =
U2 − UDS
RL
.
(1.7)
Über diese Arbeitsgerade bestimmt sich der Arbeitspunkt wie in Abbildung 1.6.
3
Je nach Anwendungsbereich werden verschiedene AP verwendet (A-, B-, AB-, C-Betrieb, hier: A-Betrieb).
10
ET3: MOSFET
Abbildung 1.6:
Wahl des optimalen Arbeitspunktes im Ausgangskennlinienfeld
1.2.4 MOSFET als Schalter
Vorbereitungsaufgabe 2
AND, OR und NOT.
Notieren Sie zur Vorbereitung die Wahrheitstabellen der Logikgatter
Aus der Vorlesung Computersysteme ist die Realisierung von logischen Funktionen in CMOSTechnologie (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) bekannt. Über die Kombination von
n-Kanal- und p-Kanal-MOSFETs auf einem gemeinsamen Substrat lassen sich alle logischen
Gatter erzeugen (NAND, NOR, NOT, etc.) und diese wiederum bilden die Grundlage für moderne
Mikroprozessoren und andere integrierte Schaltkreise (IC). Bekannt ist ebenfalls, dass mit einem
n-Kanal-MOSFET in der Regel eine logische 0 und mit einem p-Kanal-MOSFET eine logische
1 umgesetzt wird.
In diesem Versuch wird das Schaltverhalten des n-Kanal-MOSFET analysiert. Dieser kann im
Widerstandsbereich als ein
geschlossener Schalter und im Sperrbereich als ein geöneter Schalter
betrachtet werden. Auf diese Weise lassen sich nach Abb. 1.7 über die Versorgungsspannung
U1
des MOSFET die Logikpegel HI und LOW realisieren.
Für eine hinreichend kleine Spannung
UGS
bendet sich der MOSFET im Sperrzustand (Schalter
oen) und die maximale Ausgangsspannung
UGS
Ua liegt am Ausgang an. Mit zunehmender Spannung
wird der MOSFET leitend (Schalter geschlossen) und die Versorgungsspannung wird zur
Masse durchgeschaltet, so dass die Ausgangsspannung null ist. Es ergibt sich somit die Schaltlogik
aus Tabelle 1.1.
11
ET3: MOSFET
Abbildung 1.7:
MOSFET als Schalter
U1
Ua
Zustand
1)
U1 = UGS = 0V
Uout = 5V
HI
2)
U1 = UGS > UTh
Uout = 0V
LOW
Tabelle 1.1:
Schaltlogik der MOSFET Schaltung
Die gemeinsame Darstellung der Spannungsverläufe von
U1
und
Ua
des MOSFET auf einem
Oszilloskop ergibt den Signalverlauf aus Abb. 1.8.
Der Schaltvorgang und auch die Schaltspannung sind in dieser Darstellung sehr gut zu erkennen.
Für die Überschreitung der Schwellenspannung ergibt sich der Schaltvorgang und an dem
Ausgang (Rot) ndet sich repräsentativ für die binären Zahlen 1
und 0 entweder die
Betriebsspannung von 5 V oder 0 V.
Abbildung 1.8:
Signalverläufe für Ein- und Ausgang des MOSFET als Schalter
12
2 Versuchsdurchführung
In den folgenden Versuchen soll der theoretische Inhalt angewendet und geprüft werden. Zunächst
nehmen Sie die Steuerkennlinie des MOSFET auf. Anschlieÿend soll der MOSFET als Schalter
Verwendung nden, danach bauen Sie einen einfachen Analogverstärker auf.
Warnung: Damit der Transistor nicht zerstört wird, befolgen Sie bitte die nachfolgenden Hin-
weise zur Durchführung!
•
Um die Bauteile vor Schädigungen zu schützen, sind vor jedem Auf- und Abbau einer
Schaltung die Spannungsquelle und der Funktionsgenerator auszuschalten.
•
Um unnötige Fehlerquellen zu vermeiden, benutzen Sie für den Schaltungsaufbau nach
Möglichkeit die Kurzschlussstecker anstatt der Kabel.
•
Bevor Sie die Spannungsquelle mit der Schaltung verbinden, stellen Sie die geforderte Spannung direkt mit dem Multimeter an der Spannungsquelle ein (höhere Genauigkeit). Danach
ist die maximale Strombegrenzung einzustellen, ebenfalls mit dem Multimeter direkt
an der Spannungsquelle. Diese beträgt bei jedem Versuch
•
Imax = 350
mA.
Es ist darauf zu achten, dass bei dem verwendeten Funktionsgenerator die eingestellten
Spannungswerte (z.B.
Upp )
messtechnisch auch realisiert werden. Dazu ist es sinnvoll, die
eingestellten Werte mit dem Oszilloskop zu kontrollieren und ggf. am Generator zu adaptieren. Übereinstimmung zwischen den vom Funktionsgenerator angezeigten SOLL-Werten
mit den realen IST-Werten ergibt sich bei der Agilent 335XX Serie nur dann, wenn die Ausgangstreiber auf High-Z (also hochohmig) um-/eingestellt worden sind. Dies kann durch
das Setup-Menü des Generators nach dem Power-On des Gerätes realisiert werden.
•
Übertragen Sie alle Skizzen direkt in dieses Protokoll und führen Sie weiterführende Rechnungen zu Hause durch.
Vorbereitungsaufgabe 3
2n7000 mit!
Bringen Sie am Versuchstag ein Datenblatt für den MOSFET
Verwendete Geräte:
•
1 x Leybold-Rastersteckplatte
•
n-Kanal-MOSFET 2N7000
•
1 x Spannungsquelle
13
ET3: MOSFET
•
1 x Funktionsgenerator Agilent 335xxx-Serie
•
1 x Oszilloskop Tektronix 2213 oder Tektronix TDS 2002x
•
1 x Digitalmultimeter Fluke 175
•
Widerstände: 2 x 4,7 kΩ, 1 x 1
•
Kondensator: 1 x 100 nF
•
1 x 10-Gang-Potentiometer (verstellbarer Widerstand) mit
Ω
Rmax = 10 kΩ
2.1 Aufnahme der Steuerkennlinie
Bauen Sie die in Abb. 2.1 gezeigte Schaltung mit
Rm = 1Ω
auf.
Verbinden Sie das Signal des Funktionsgenerators mit dem Oszilloskop (Kanal 1) und stellen
Sie eine Dreieckspannung mit
Upp = 2
V (pp bedeutet peak to peak) und
f = 1
kHz ein
(Null-Linie mittig auf Bildschirm). Wählen Sie nun den Oset des Funktionsgenerators so, dass
der untere Signal-Peak bei
0
V liegt (vgl. Abb. 2.2). Achten Sie darauf, dass das Oszilloskop
dabei auf DC eingestellt ist. Schalten Sie nun die Spannungsversorgung
Sie das Oszilloskop so ein, dass Sie beide Kanäle sehen können, mit
Ua
U2 = 5
V ein. Stellen
auf Kanal 2. Die Null-
Linie des zweiten Kanals soll dabei am unteren Ende des Bildschirms liegen. Über die Amplitude
der Dreieckspannung können Sie nun den Drainstrom des MOSFET steuern. Steigern Sie die
Amplitude so weit, bis Sie ungefähr den Verlauf von Abb. 2.3 erhalten (Hinweis: Sowohl die
Abbildung 2.1:
Messaufbau für die Steuerkennlinie des MOSFET
14
ET3: MOSFET
Abbildung 2.2:
Signalverlauf der Dreiecksspannung (Kanal 1)
Amplitude als auch der Oset von
von
UTh .
Upp
des Funktionsgenerators beeinussen die Darstellung
Regeln Sie daher den Oset am Signalgenerator so nach, dass in dem gewünschten
Signalbild am Oszilloskop die unteren Signal-Peaks wieder auf 0 V liegen. Passiert dies NICHT,
so wird die resultierende Stromsteuerkennlinie - wie in Abb. 2.4 gezeigt - nicht im Ursprung
des Koordinatensystems beginnen, sondern mit einer Rechts-Verschiebung auf der x-Achse
Betrag des von Null abweichenden Osets. Bestimmt man daraus dann
UT h ,
im
so ist dieser Wert
dann um den von Null verschobenem Osetwert verfälscht!).
Schalten Sie nun das Oszilloskop in den XY-Modus (Taste Display, Format XY). Verändern
Sie die Skalierung in der Art, dass Sie eine Stromsteuerkennlinie wie in Abb. 2.4 erhalten.
Aufgaben, die während des Versuchs zu bearbeiten sind:
a) Zeichnen Sie die Steuerkennlinie in das Diagramm in Abb. 2.5 und beschriften Sie die
Achsen. Bestimmen Sie grasch die Schwellenspannung
UTh .
Orientieren Sie sich dazu an
Abbildung. 1.4.
Aufgaben, die erst im Rahmen der Protokollerstellung bearbeitet werden müssen:
b) Bestimmen Sie den dierenziellen Leitwert des MOSFET für
µn an dem in Aufgabenteil
= 9 nm und εr = 3, 9 (SiO2 ).
c) Berechnen Sie die Ladungsträgerbeweglichkeit
Punkt mit
W = 900 µm, L = 2 µm, dSiO2
ID ≈ 200mA.
b) bestimmten
Verwenden Sie
dafür die Näherung
ID =
K
· (UGS − UTh )2
2
15
.
(2.1)
ET3: MOSFET
Abbildung 2.3:
Darstellung von Kanal 1 und Kanal 2
Abbildung 2.4:
Stromsteuerkennlinie.
2.2 MOSFET als Schalter
Bauen Sie die Schaltung nach Abb. 1.7 auf. Erzeugen Sie mit dem Funktionsgenerator ein Dreiecksignal mit
f =1
kHz und
Upp = 5
V am Eingang
RL = 4, 7 kΩ.
16
U1 = UGS .
Weiterhin gelte
U2 = 5
V und
ET3: MOSFET
Abbildung 2.5:
Steuerkennlinie.
Aufgaben, die während des Versuchs zu bearbeiten sind:
a) Stellen Sie ungefähr den Verlauf aus Abb. 1.8 nach und übertragen Sie diesen in das
Diagramm in Abb. 2.6. Passen Sie über den DC-Oset des Oszilloskops beide Signale an.
b) Bezeichnen Sie die Achsen und bestimmen Sie die Schaltspannung.
Ergebnisse und Antworten
17
ET3: MOSFET
Abbildung 2.6:
Signalverläufe für Ein- und Ausgang des MOSFET als Schalter.
c) Welche logische Funktion (welches Gatter) wird hierdurch abgebildet?
Ergebnisse und Antworten
d) Schalten Sie nun in den XY-Modus des Oszilloskops und übertragen Sie den Verlauf in
das Diagramm in Abb. 2.7. Beschriften Sie die Achsen und überlegen Sie, welche zeitliche
Einteilung die X-Achse haben muss. Bestimmen Sie die Schaltzeit für den Transistor (Eingangsspannungsbereich, in dem sich die Ausgangsspannung um ca. 90 % verändert hat).
Verändern Sie ggf. die Skalierung, damit Sie die Schaltzeit besser ablesen können.
Ergebnisse und Antworten
18
ET3: MOSFET
Abbildung 2.7:
Vorgegebenes Raster zum Eintragen der gewonnenen Messdaten aus
Aufgabenstellung d).
2.3 MOSFET als analoger Verstärker
In der alltäglichen analogen Anwendung ist Ihnen möglicherweise die Verwendung von MOSFETs
als
Audioverstärker
aus
dem
HiFi-Audio
Bereich
bekannt.
Häug
wird
mit
Full-
MOSFET Endstufen geworben und Bezeichnungen wie Class-A-, Class-B-, Class-AB-, Class-Cund Class-D-Verstärker nden sich in der genaueren Beschreibung. Aus dem Abschnitt 1.2.3
wissen Sie, dass diese Bezeichnungen mit dem Arbeitspunkt des MOSFET zu tun haben.
In diesem Versuch soll lediglich der Class-A-Betrieb veranschaulicht werden. Dieser ist sehr einfach und kostengünstig umzusetzen und besitzt einen geringen Klirrfaktor. Der Wirkungsgrad
hingegen ist sehr schlecht und es ist permanent ein hoher Ruhestrom vorhanden (DC-Oset).
2.3.1 Schaltungsaufbau und Wahl des Arbeitspunktes
Bauen Sie zunächst die Schaltung aus Abb. 2.8 auf. Es gilt:
U1
sei zunächst ohne Signal und die Spannungsversorgung
C = 100 nF und RL = R1 = 4, 7 kΩ.
U2 = 5 V ausgeschaltet.
Aufgaben zum Arbeitspunkt, die während des Versuchs zu bearbeiten sind:
a) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade mit den beiden Punkten
voll leitend) und
UDS,max
für
ID = 0
ID,max
für
UDS = 0
V (MOSFET
A (MOSFET voll gesperrt) in das Ausgangskennlini-
enfeld Abb. 2.9 ein und nähern Sie den Arbeitspunkt zeichnerisch an.
19
ET3: MOSFET
Abbildung 2.8:
Abbildung 2.9:
Analoge Verstärkergrundschaltung MOSFET.
Ausgangskennlinienfeld zur Bestimmung des Arbeitspunktes.
20
ET3: MOSFET
b) Wie würde sich die Arbeitsgerade verändern, wenn
RL
gröÿer bzw. kleiner gewählt wird?
Ergebnisse und Antworten
c) Kennzeichnen Sie im Ausgangskennlinienfeld (Abb. 2.9) den linearen Bereich und den Sättigungsbereich.
Aufgaben zum Verstärker, die während des Versuchs zu bearbeiten sind:
a) Dimensionieren Sie
R2
über die Spannungsteilerformel mit
UGS
aus Abb. 2.9. Stellen Sie
diesen Wert an dem 10-Gang-Poti mit dem Multimeter ein.
UGS =
(2.2)
f = 1 kHz und Upp = 100 mV. Schalten Sie die
Spannungsversorgung U2 = 5 V ein. Stellen Sie beide Kanäle U1 und Ua auf dem Oszilloskop
dar (Null-Linie mittig) und ermitteln Sie den Verstärkungsfaktor A = Ua,pp /U1,pp .
b) Erzeugen Sie eine Sinusspannung an
U1
R2
· U2
R2 + R1
mit
Ergebnisse und Antworten
c) Wie verhält sich
Ua
bei Variation des AP?
Ergebnisse und Antworten
21
ET3: MOSFET
d) Verändern Sie den AP über das Poti in der Art, dass Sie eine maximale und verzerrungsfreie Verstärkung erhalten. Übertragen Sie das Bild in das Diagramm in Abb. 2.10 und
kennzeichnen Sie die beiden Spannungen und die Achsen. Ermitteln Sie aus der Abbildung
die Spannungen
Abbildung 2.10:
U1,pp
und
Ua,pp
und berechnen Sie den maximalen Verstärkungsfaktor.
Vorgegebenes Raster zum Eintragen der gewonnenen Messdaten aus
Aufgabenstellung d).
Ergebnisse und Antworten
e) Woher kommt der Unterschied zwischen dem AP aus dem Ausgangskennlinienfeld und dem
tatsächlichen optimalen AP aus Aufgabenteil d)?
Ergebnisse und Antworten
22
3 Abschluss-Protokoll
: Das anzufertigende Abschluss-Protokoll beinhaltet neben einer Liste der verwendeten Geräte auch eine Beschreibung des durchgeführten Versuchs sowie des Versuchsaufbaus. Die Beschreibung soll einem auÿenstehenden Leser das Vorgehen während
des Experiments aufzeigen und ggf. die Möglichkeit der Reproduktion bieten. Des Weiteren ist darauf zu achten, dass Messergebnisse und Zeichnungen/Diagramme beschrieben
und diskutiert werden müssen. Im Mittelpunkt der Diskussion steht das Herausstellen
von Ergebnissen, die aus den Messwerten und/oder den Diagrammen abgeleitet werden
können.
Hinweis
Der genaue Inhalt des jeweiligen Themas muss in Ihrem Protokoll nicht komplett mit aufgeführt
werden. Ein kurze Erklärung des Themas sowie eine genaue Erläuterung zur Vorgehensweise und
Durchführung sind jedoch notwendig. Bitte beachten Sie weiterhin:
•
Falls gefordert, benutzen Sie die Vorlage für die Anfertigung des Protokolls mit den dortigen Formatierungen. Ist keine Vorlage gegeben, dann fertigen Sie ein Protokoll an mit:
Schriftgröÿe 12, Blocksatz, 5 cm Korrekturrand an rechter Seite.
•
Achten Sie immer auf die Beschriftung aller Abbildungen und Tabellen.
•
Achten Sie auch auf eine korrekte Inhaltsangabe und auf evtl. Literaturangaben!
23
Literaturverzeichnis
[1]
Hartl, H.: Elektronische Schaltungstechnik". Pearson Studium Nr. 7321.
(Thema/Bemerkungen: Bauelemente & Schaltungen)
[2]
Cordes, K.-H.: Integrierte Schaltungen". Pearson Studium Nr. 4011.
(Thema/Bemerkungen: Bauelemente & Schaltungen)
[3]
Tietze & Schenk: Halbleiterschaltungstechnik". Springer Verlag 2002.
(Thema/Bemerkungen: Standardwerk für Schaltungen)
[4]
Sze, S.M.: Physics of Semiconductor Devices". Wiley, 1981.
(Thema/Bemerkungen: Standardwerk für Bauelemente)
[5]
Ibach & Lüth: Festkörperphysik".
(Thema/Bemerkungen: Grundlagen zur Festkörperphysik)
[6]
Bergmann-Schäfer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6: Festkörper". De Gruyter,
1992.
(Thema/Bemerkungen: Grundlagen zur Festkörperphysik)
[7]
Paul, R.: Halbleiterphysik".
(Thema/Bemerkungen: Grundlagen, sehr ausführlich)
[8]
Paul, R: Feldeekttransistoren".
(Thema/Bemerkungen: MOSFETs, sehr ausführlich)
[9]
Göbel, H.: Einführung in die Halbleiterschaltungstechnik". Springer 2008.
(Thema/Bemerkungen: Smile-Simulation anschauliche applets, sehr ausführliches Lehr- und
Übungsbuch zu elektronischen Bauelementen und Schaltungen)
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Kerns & Irwin: Essentials of electrical and computer engineering". Pearson 2004.
[10] Fairchild Seminconductor Corp., Datenblatt 2N7000.
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