LABORATORIO DI ELETTRONICA OGGETTO: RILIEVO DELLE CURVE CARATTERISTICHE DI USCITA DI UN TRANSISTOR JFET A CANALE N SCHEMA

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1 ALUNNO: Fratto Claudio CLASSE: IV B Informatico ESERCITAZIONE N : 6 LABORATORIO DI ELETTRONICA OGGETTO: RILIEVO DELLE CURVE CARATTERISTICHE DI USCITA DI UN TRANSISTOR JFET A CANALE N SCHEMA 1

2 STRUMENTI UTILIZZATI COMPONENTI UTILIZZATI 1) 2 Alimentatori 1) transistor JFET 2N3819 2) 3 multimetri impostati due come voltmetro; uno come milliamperometro; 3) Box montaggio DATI RILEVATI CURVA CARATTERISTICA DI USCITA VGS = -1V VDS[V] ID[mA] 1,00 2,6 2,00 4,3 3,00 4,86 4,00 5,1 5,00 5,2 6,00 5,28 7,00 5,34 8,00 5,37 9,00 5,4 10,00 5,42 VGS = -1,5V VDS[V] ID[mA] 1,00 2,08 2,00 2,81 3,00 3,04 4,00 3,16 5,00 3,24 6,00 3,28 7,00 3,33 8,00 3,36 9,00 3,39 10,00 3,41 VGS = -2V VDS[V] ID[mA] 1,00 1,23 2,00 1,45 3,00 1,55 4,00 1,6 5,00 1,65 6,00 1,69 7,00 1,71 8,00 1,74 9,00 1,76 10,00 1,78 CURVA CARATTERISTICA MUTUA DI CORRENTE VDS = 5V VGS[V] 0,00-0,50-0,80-1,00-1,20-1,50-1,80-2,00-2,20-2,50-2,80-3,00-3,20 ID[mA] 9,92 7,39 6,09 5,21 4,41 3,26 2,23 1,61 1,11 0,47 0,08 0,

3 GRAFICO CURVE CARATTERISTICHE DI USCITA DEL TRANSISTOR JFET RILEVATE SPERIMENTALMENTE 6,00 5,00 4,00 Id [ma] 3,00 2,00 1,00 0,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 Vds [V] Curva di uscita con Vgs=-1V Curva di uscita con Vgs=-1,5V Curva di uscita con Vgs=-2V 3

4 GRAFICO CURVA CARATTERISTICA MUTUA DI CORRENTE DEL TRANSISTOR JFET RILEVATA SPERIMENTALMENTE 12,00 10,00 8,00 Id [ma] 6,00 4,00 2,00 0,00-3,50-3,00-2,50-2,00-1,50-1,00-0,50 0,00 Vgs [V] Curva caratteristica mutua di corrente con Vds=5V 4

5 RELAZIONE L esperienza effettuata in laboratorio si è articolata in otto fasi: 1) la prima fase consisteva nell andare a montare il circuito attraverso il quale si potevano rilevare le curve caratteristiche di uscita e quella mutua di corrente del transistor utilizzato nel circuito stesso; 2) la seconda fase consisteva nell andare a rilevare i valori della corrente di drain ( Id ), per ognuna delle dieci prove effettuate variando il valore di Vds [1, 2 10], fornendo un valore di tensione Vgs, tenuto costante per tutta questa fase di rilevazione, pari a -1V; 3) la terza fase consisteva nel rilevare i valori della corrente di drain, come nella prima fase, variando il valore della tensione Vds [1, 2 10], fornendo un valore Vgs, tenuto costante per tutta questa fase di rilevazione, pari a -1,5V; 4) la quarta fase consisteva nel rilevare i valori della corrente di drain, come nella prima e nella seconda fase, variando il valore della tensione Vds [1, 2 10], fornendo un valore Vgs, tenuto costante per tutta questa fase di rilevazione, pari a -2V; 5) la quinta fase consisteva nel rilevare i valori della corrente di drain, per ognuna delle tredici prove effettuate, facendo variare il valore di Vgs, fornendo un valore di tensione Vds costante e pari a 5V; 6) la sesta fase consisteva nell andare a riportare le coppie di valori rilevati nella seconda, nella terza e nella quarta fase su di un grafico, congiungendo tutti i rispettivi punti ottenuti ricavando le tre curve caratteristiche di uscita del transistor utilizzato; 7) la settima fase consisteva nell andare a riportare le coppie di valori rilevati nella quinta fase su di un grafico, congiungendo tutti i punti ottenuti ricavando la curva caratteristica mutua di corrente del transistor utilizzato; 8) la settima fase consisteva nell andare ad analizzare le curve ottenute nella sesta e nella settima fase, dimostrando il funzionamento del transistor. CENNI TEORICI SUI TRANSISTOR: I transistor sono dei dispositivi a stato solido, costituiti cioè da materiali semiconduttori (silicio o germanio in particolare). Nel campo dell elettronica vengono utilizzati con la funzione o di amplificatori di segnale (sia di corrente che di tensione), quando si ha a che fare con circuiti analogici, o con la funzione di interruttore, quando si ha a che fare con circuiti digitali. Essi sono dei dispositivi di piccole dimensioni che possono essere rivestiti di diversi materiali ma che hanno tutti la stessa architettura interna. Ciascun transistor è composto, per quanto riguarda il punto di vista fisico, da tre porzioni di semiconduttori drogati che seguono un ordine ben preciso; i semiconduttori drogati possono essere disposti o nell ordine PNP o in quello PNP. Quest ordine fa si che si creino due giunzioni. Esistono diversi tipi di transistor, quelli più importanti sono: a) i transistor BJT (Bipolar Junction Transistor), comunemente chiamati anche a comando di corrente; b) i transistor JFET (Junction Field Effect Transistor), comunemente chiamati a comando di tensione. Il transistor JFET Il transistor JFET è detto ad effetto di campo poiché la corrente che scorre tra i suoi terminali principali viene regolata da un campo elettrico generato da una tensione applicata al transistor stesso. Questo tipo di transistor sono dei dispositivi unipolari, ciò significa che la conduzione della corrente dipende esclusivamente o dal passaggio di lacune o dal passaggio degli elettroni; questo li differenzia dai transistor a giunzione bipolare (BJT) nei quali la conduzione dipende sia dagli elettroni che dalle lacune. 5

6 Esistono due tipi di transistor JFET: a) quelli a canale N, nei quali la conduzione di corrente è affidata agli elettroni; b) quelli a canale P, nei quali la conduzione di corrente è affidata alle lacune. I transistor più utilizzati nel campo pratico sono quelli a canale N; ciò è dovuto al fatto che in essi, essendo costituiti da un materiale semiconduttore, silicio nella maggior parte dei casi, è presente una maggiore mobilita di elettroni che di lacune che consente di ottenere dei valori di corrente di drain più elevati, a parità di tensioni applicate. La struttura di un transistor JFET Un transistor JFET è costituito da una barretta di semiconduttore drogato in maniera omogenea: se il drogaggio è di tipo n ci troviamo di fronte ad un JFET a canale N, viceversa, se il drogaggio è di tipo p ci troviamo di fronte ad un JFET a canale P. A questo canale sono collegati due elettrodi chiamati rispettivamente Source ( S ) e Drain ( D ). All interno del canale sono presenti due isole, drogate in maniera opposta al canale, che sono collegate ad un morsetto esterno chiamato Gate ( G ). Essendo presenti due tipi di transistor JFET, sono presenti anche due simboli circuitali che li distinguono. I simboli sono: La freccia sta ad indicare il verso della corrente circolante nel transistor: a) in un transistor a canale N la corrente convenzionale si muove dal drain verso il source, mentre quindi gli elettroni si muovono nel senso opposto; b) in un transistor a canale P la corrente convenzionale si muove dal source verso il drain, e gli elettroni si muovono nel senso opposto. Come nel caso dei transistor BJT, anche i transistor JFET si possono presentare sotto tre diverse configurazioni: 1) la configurazione a source comune; 2) la configurazione ad gate comune; 3) la configurazione ad drain comune. La configurazione che viene usata maggiormente è quella a source comune, questo perché garantisce un miglior funzionamento, nella pratica, del transistor. 6

7 La configurazione ad source comune In questa configurazione i parametri del circuito di di uscita sono la Id e la Vds. Il funzionamento di un transistor JFET Essendo il JFET un dispositivo a tra terminali si possono applicare due diverse tensioni di polarizzazione al transistor stesso. Utilizzando la configurazione a source comune, mettendo quindi l elettrodo S a massa, queste due tensioni di polarizzazione sono: a) la Vgs, che sta a rappresentare la tensione di controllo. Essa va a modulare l intensità di corrente di drain; b) la Vds, che è quella necessaria per far scorrere la corrente Id tra i terminali S e D; L azione di modulazione della tensione Vgs avviene grazie al fatto che essa va a polarizzare le giunzioni PN determinando le quantità di cariche che possono condurre corrente. Quando questa tensione è negativa, le giunzione viene polarizzata inversamente. Ciò fa si che si va a creare una zona detta di svuotamento, tanto più grande tanto è minore il valore della tensione Vgs, che si estende sul canale. Essa si estende maggiormente verso il terminale di drain dove la polarizzazione inversa è più marcata. Più la Vgs è grande (considerata in valore assoluto), più si avrà un valore di corrente piccolo. Quest ultimo risulterà nullo quando, indipendentemente dalla tensione Vds, il canale sarà ostruito dalle due zone di svuotamento createsi attraverso la polarizzazione inversa ottenuta con un valore di Vgs: questo valore è comunemente chiamato tensione di pinch-off e si indica con Vp. 7

8 Le caratteristiche del transistor JFET a configurazione ad source comune Le curve di uscita Le curve caratteristiche di uscita di un transistor JFET descrivono l andamento della corrente di drain in funzione della tensione Vds, mantenendo un valore di Vgs costante. Ciascun punto della curva è dato quindi dalle coordinate, rispettivamente per l asse delle ascisse e per l asse delle ordinate, che rappresentano i valori della tensione Vds e quelli della corrente Id. Se si varia il valore di tensione Vgs, si ottiene un famiglia di curve, ognuna delle quali si discosta di parecchio dalle altre. Ciascuna curva ha un andamento crescente. Inizialmente crescono in maniera repentina per poi crescere pochissimo, quasi stabilizzandosi. Nel grafico in cui è rappresentata la famiglia di curve si possono distinguere due diverse regioni: a) la regione lineare in cui la corrente Id aumenta quasi in maniera proporzionale con la tensione Vd; la curva ha un andamento lineare all inizio ed un andamento quadratico successivamente; b) la regione di saturazione in cui la corrente Id rimane quasi costante; essa, infatti, continua, se pur di pochissimo, a crescere. Analizzando il grafico teorico è possibile notare che: a) se il valore di Vgs è uguale a zero, si avranno i valori più elevati di corrente Id; b) più diminuisce il valore della tensione negativa Vgs, più diminuisce il valore della corrente Id; c) se il valore di Vgs è uguale al valore della tensione di pinch-off, si avranno i valori più piccoli, quasi nulli, di corrente Id; 8

9 La curva transcaratteristica La curva transcaratteristica di uscita, più comunemente conosciuta come caratteristica mutua di corrente, descrive l andamento della corrente di drain in funzione della tensione Vgs, mantenendo un valore di Vds costante. Ciascun punto della curva è dato quindi dalle coordinate, rispettivamente per l asse delle ascisse e per l asse delle ordinate, che rappresentano i valori della tensione Vgs e quelli della corrente Id. A differenza della caratteristica di uscita, la caratteristica mutua di corrente, variando il valore di tensione Vds, rimane sostanzialmente la stessa. Analizzando il grafico teorico è possibile notare che la curva ha un andamento del tipo quadratico. 9

10 FASE 1: Per rilevare le curve caratteristiche di uscita e la caratteristica mutua di corrente di un transistor JFET ( la cui sigla è 2N3819 ), si è montato un circuito dotato di due generatori, caratterizzati da una resistenza interna trascurabile: il polo positivo del primo ( Eg ) è stato collegato all elettrodo source ( S ) del transistor, mentre il suo polo negativo è stato collegato al morsetto del gate ( G ); il polo positivo del secondo generatore ( Ed ) è stato collegato all elettrodo del drain ( D ) mentre il suo polo negativo è stato collegato all elettrodo source. In fase di realizzazione del circuito si è inserito: 1) un multimetro ( M1 ), impostato come voltmetro, collegato in parallelo tra il gate ed il source, per rilevare la tensione Vgs; 2) un multimetro ( M2 ), impostato come milliamperometro, in serie al secondo generatore, per rilevare il valore della corrente di drain circolante nella maglia di uscita del circuito montato; 3) un multimetro ( M3 ), impostato come voltmetro, collegato in parallelo al drain ed al source, per rilevare il valore della tensione Vds. Finite le operazioni di collegamento si è passati alla rilevazione dei dati. FASE 2: Prima di effettuare le rilevazione si è impostato un valore di Vgs, attraverso il primo generatore e letto attraverso M1, pari a -1 V; valore che resta costante per tutte le rilevazioni della seconda fase. Sono state effettuate 10 rilevazioni del valore della corrente Id (letto su M2 ), variando, tramite il secondo generatore, il valore di Vds da 0 V a 10 V con passo 1, valore di tensione letto attraverso M3. FASE 3: Anche in questa fase sono state effettuate 10 rilevazioni come nella seconda fase ma prima di effettuarle è impostato un valore di Vgs, tramite il primo generatore e letto attraverso M1, pari a - 1,5 V; valore che anche in questo caso resta costante per tutte le rilevazioni della fase. FASE 4: Anche in questa fase sono state effettuate 10 rilevazioni come nella seconda e nella terza fase ed anche in questo caso, prima di procedere alla rilevazione dei valori di Id, si è impostato un valore di Vgs, tramite il primo generatore e letto attraverso M1, pari a -2 V; valore che anche in questo caso resta costante per tutte le rilevazioni della fase. FASE 5: Prima di effettuare le rilevazioni, in questa fase si è impostato il valore di Vds, tramite il generatore Ed e letto attraverso M3, pari a 5V; anche in questo caso il valore impostato prima di effettuare le rilevazioni della fase resta costante per tutta la durata della stessa. Sono state effettuate 13 rilevazioni della corrente di drain facendo variare, cambiando la tensione emessa da Eg, il valore di Vgs. 10

11 FASE 6: Dopo aver rilevato i dati si è potuto passare alla trascrizione degli stessi in quattro tabelle (vedi foglio2). Una volta terminata la compilazione delle tabelle si è stati in grado di rappresentare le coppie di valori delle prime tre tabelle ( corrispondenti alle rilevazioni effettuate nella seconda, nella terza e nella quarta fase) su di un grafico avente sull asse delle ascisse i valori di Vds, espressi in volt, e sull asse delle ordinate i valori della corrente Id, espressi in ma. Una volta posizionati tutti i punti (ognuno dei quali rappresentava i valori di ogni singola rilevazione) si è stati in grado di congiungerli (quelli delle rispettive tabelle) ricavandone tre curve, riportate nel foglio 3. FASE 7: In questa fase si è andati a riportare le coppie di valori della quarta tabella ( corrispondenti alle rilevazioni effettuate nella quinta fase ) su di un grafico avente sull asse delle ascisse i valori della tensione Vgs, espressi in Volt, e sull asse delle ordinate i valori della corrente di drain, espressi in ma. Una volta posizionati tutti i punti si è stati in grado di congiungerli ricavando la curva riportata nel foglio 4. FASE 8: Dopo aver rappresentato i valori delle rilevazioni su due grafici si è potuti passare alla loro analisi. ANALISI DELLE CURVE CARATTERISTICHE DI USCITA DEL TRANSISTOr (con Vgs = -1V; con Vgs = -1,5V; con Vgs = -2V): a) la curva, per piccoli valori di Vds (all incirca per valori fino a 3 V), cresce in maniera repentina dimostrando che la corrente di drain assume subito del valori elevati; b) a partire del valore 3V di Vds la curva continua si a crescere ma tendendo quasi a stabilizzarsi; c) variando il valore costante della tensione Vgs si ottengono curve diverse che hanno si lo stesso andamento ma che si discostano di molto. Più è piccolo il valore di Vgs, minore è il valore della corrente Id che si può avere. ANALISI DELLA CURVA CARATTERISTICA MUTUA DI CORRENTE (con Vds = 5V): La curva assume un andamento decrescente di tipo quadratico anche se nella sua prima parte ha un andamento quasi lineare. Questa linearità dimostra che il rapporto tra la corrente di drain e il valore di tensione Vgs ( soprattutto con valori di Vgs maggiori di -2V ) è pressoché costante. Si può osservare che si ha un valore di corrente Id maggiore quando la tensione Vgs è uguale a zero Volt. Dall analisi effettuata si può affermare che il transistor utilizzato nell esperienza ha funzionato in maniera corretta. 11