Elettronica 1 - Caratterizzazione di un Mosfet a canale N ad accumulo: Relazione 2

Caratterizzazione di un mosfet a canale n ad accumulo

!

Obiettivo

Tracciamento delle caratteristiche di uscita del transistor, determinare i relativi parametri: gd, r0, |Va|, Vt, K,

gm. Successivamente, porre Vs=2V e ripetere le misure. Tracciare la nuova transcaratteristica e stimare il nuovo

valore di Vt.

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Dispositivi-componenti utilizzati

! Semiconductor Parameter Analyzer HP4155B:!

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!

!

!

! Mosfet a canale n ad accumulo:

•

Descrizione delle misure

L’esperimento si basa sullo stesso laboratorio virtuale trattato nella relazione precedente, effettuata sul diodo

1N914. Questa volta, dall’interfaccia è stato selezionato il transistor NMOS. E’ più complicato da configurare

rispetto al diodo, perchè i terminali da controllare sono tre. Di conseguenza saranno tre anche i Source/Monitor

Unit “SMU”. Per non danneggiare il transistor sono stati scelti dei limiti di tensioni e correnti applicate. Sul SMU1

è stata impostata la funzione VAR1*, la tensione Vd varia da 0V a 5V con step di 185mV; limitando la corrente a

100mA. Sul SMU2 bisogna impostare la funzione VAR2**, la Vg varia da 0V a 3V con step di 190mV; la corrente di

gate è stata limitata a 100nA. Nella sezione “User defined functions” dell’applicativo, è possibile impostare

alcune funzioni molto utili, per esempio possiamo calcolare la conduttanza gd: “DELTA(Id)/DELTA(Vd-Vs)”. Il

SMU3 è semplicemente collegato a massa per il momento.

Dopo aver elaborato i dati, il SMU3 verrà collegato ad una batteria di 2V, per poi riprendere la

transcaratteristica. Per l’elaborazione dei dati è stato utilizzato il programma “Matlab 2011b”.

Fig.!1

* VAR1 è il source primario per la scansione, definito da un valore iniziale, uno finale e uno step. Il numero di punti ottenuti è dato dalla

!"#$%&!!"!#!$%&

! + 1 .

seguente espressione: !"#$

** VAR2 è il source secondario, definito come VAR1 ma la sua scala è sempre lineare. Il suo valore viene incrementato solamente dopo aver

completato una scansione di VAR1. 1!

! !

! !

Caratterizzazione di un mosfet a canale n ad accumulo

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Dati ottenuti ed elaborazione

In figura 2 sono tracciate le caratteristiche di uscita del

transistor. Ogni curva rossa rappresenta una misura per

un valore specifico di Vgs. Si vede bene l’andamento

della corrente quando siamo in zona di triodo (Vds tra 0V

e 1V circa, per le due curve in alto). Si può inoltre

notare che in zona di saturazione si risente dell’effetto

Early, la pendenza delle curve non è nulla come nel caso

ideale. ! !

! = 2!! ! − ! !! − ! ! !

Triodo: ! !" ! !" !"

!

!

! = ! ! − ! ! 1 + !!! ! !

Saturazione: ! !" ! !"

!

! = ;

Dove inverso della tensione di Early.

!

!

1 ! ! Fig.!2

! = !! !! ! !

! !" !

2 ! ! !

! =

In figura 3 è riportata la resistenza in funzione

! ! !

della corrente di drain Id. E’ stata scelta una curva

delle tante; per ogni valore di Vgs si ha una

caratteristica diversa. Particolarmente, in questa

curva, si vede bene il legame esponenziale; mentre per

valori di corrente attorno 5mA entra in gioco del

rumore. Il prodotto delle due coordinate dovrebbe

dare il valore della tensione di Early, ma da come

risulta dal gafico, non sarebbe una stima corretta.

Facendo una media dei prodotti r0*Id per ogni sweep di

Vg, si ottiene una tensione in modulo di circa 47V.

Fig.!3 ! ≅ 47!! Tensione di Early.

!

Per ricavare il valore della tensione soglia Vt0,

bisogna plottare la corrente entrante nel drain in

funzione della tensione applicata tra gate e source

(figura 4). In questo caso, Vgs=Vg dato che Vs si

trova a massa. La tensione di soglia è data dal valore

di Vgs per il quale la corrente inizia a scorrere nel

canale (MOSFET on), che risulta essere di circa 1.9V.

= 1.9!!

! Tensione di soglia.

!! Fig.!4 2!

! !

! !

Caratterizzazione di un mosfet a canale n ad accumulo

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Il valore del parametro K, è possibile ricavarlo dall’espressione della corrente Id in zona di saturazione. Vengono

quindi misurate le coordinate di un punto del grafico di figura 4; rispettivamente Vgs=2.66V, Id=35.2mA.

! !

! !

! = ! ! − ! !! = ≅ 61!!

! !" !! ! !

!

! − !

!" !!

In figura 6 è riportata la transconduttanza gm in

funzione della corrente entrante nel drain Id.

Scegliendo una curva con un opportuno valore di Vgs, è

possibile stimare il valore del parametro K.

! !

!

! = 2!!! ! − ! ! = = 67!!

! !" !! !

!

2!!! ! − !

!" !!

Fig.!6

A questo punto, possiamo tracciare le caratteristiche di

uscita, stando attenti ad usare le rispettive formule di

triodo e saturazione nelle zone opportune.

In figura 7, sono riportate in BLU le caratteristiche reali

misurate con lo strumento (stesse di figura 2), mentre le

curve in ROSSO sono quelle calcolate a partire dai

parametri trovati. Ovviamente non coincidono per

semplice il fatto che sono stati commessi errori di

approssimazione nel calcolo dei parametri. Fig.!7

In figura 8, è presente in rosso la transcaratteristica

Id vs Vgs, calcolata con i parametri trovati. La

tensione di soglia Vt0 è sempre pari a 1.9V.

Mentre in blu è riportata la curva relave ottenuta

dale misure.

Fig.!8 3!

! !

! !