Versuch 04: MOSFET Messung
Die statischen Kennlinien eines n-Kanal MOSFETs werden gemessen.
Untersucht wird ein n-Kanal MOSFET des CMOS IC 4007.
4.1. Einsatzspannung des n-Kanal MOSFET
Bauen Sie die in Abb. 1 skizzierte Meßschaltung auf. AWG1 soll eine Gleichspannung mit Offset 1..3.8 V sein. Messen Sie den Drainstrom durch Spannungsmessung am Messwiderstand R1 = 1kΩ: \[ I_{DS} = \frac{OSC2DC - OSC1DC}{R_1} \] als Funktion der Spannung VOSC1DC = VDS = VGS im Intervall 1V ≤ VAWG1 < 4V in 0.2V Schritten.
Abb. 1. Messaufbau zur Bestimmung der Einsatzspannung des n-Kanal MOSFET
Tragen Sie die Messdaten mit Dezimalpunkt in folgende Tabelle
| VAWG1 | OSC2DC | OSC1DC VGS VDS |
IDS = (OSC2DC-OSC1DC)/1000 | Wurzel(IDS) |
| [V] | [V] | [V] | [A] | Wurzel[A] |
| 1 | ||||
| 1.2 | ||||
| 1.4 | ||||
| 1.6 | ||||
| 1.8 | ||||
| 2.0 | ||||
| 2.2 | ||||
| 2.4 | ||||
| 2.6 | ||||
| 2.8 | ||||
| 3.0 | ||||
| 3.2 | ||||
| 3.4 | ||||
| 3.6 | ||||
| 3.8 |
Export Data
Wenn Sie die Daten nach Drücken von Export nicht auswählen können, benutzen Sie die Liste am Ende des Dokuments.
Tragen Sie die gemessenen Daten in der Form \( \sqrt{I_{DS}} \) über \( V_{DS} \) in Excel auf, damit Sie eine Gerade bekommen.
Bestimmen Sie \( \beta \) und die Einsatzspannung (Schwellspannung) \( V_{thO} \) für \( V_{BS} = 0 \) mit Hilfe einer Regressionsgeraden durch die Messpunkte.
Schliessen Sie die Daten für UGS < Uth aus, in dem Sie die Datenreihe im Diagramm mit der Maus auswählen und mit <Strg><C> kopieren und nochmals einfügen <Strg><C>.
Für den kopierten Datensatz passen Sie die Messwerteauswahl entsprechend an. Mit der Maus oben rechts an der Datenmarkierung auf die Ecke klicken und die Größe bei gefrückten Mausknopf anpassen.
Die MOSFET Transistorgleichung in der Sättigung lautet:
\( I_{DS} = \beta \left(V_{GS} - V_{th0} \right)^2 (1+ \lambda V_{GS} ) \approx \beta (V_{GS}-V_{th0})^2 \)
Durch Auftragen der Wurzel vom Drain-Source-Strom in [A] wird die Gleichung zu:
\( \sqrt{I_{DS}} = \sqrt{\beta} V_{GS}- \sqrt{\beta} V_{th0} \)
\( \sqrt{I_{DS}} \) ist y, \( V_{GS} \) ist x und \( \sqrt{\beta} \) ist die Steigung der Geraden und \( -\sqrt{\beta} V_{th0} \) der Achsenabschnitt.
Tragen Sie hier \( \beta \) ein:
Tragen Sie hier \( V_{thO} \) ein:
Fügen Sie hier einen Screenshot der Übertragungskennlinie ein:
Remove
4.2. Ausgangskennlinien des n-Kanal-MOSFET
Bauen Sie die in Abb. 2 skizzierte Meßschaltung auf und messen Sie den Drainstrom IDS als Funktion von VDS (0 < VDS <= 10V) bei konstantem VGS = 3 V.
Abb. 2. Messaufbau zur Aufnahme der Ausgangskennlinien des n-Kanal-MOSFET
Um den korrekten Aufbau zu überprüfen stellen Sie zuerst das Ausgangskennlinienfeld dar.
Dazu erzeugen Sie mit AWG2(UGS) eine Treppenspannung:
Custom, Edit, Math: 20*trunc(x*5), Generate Math
mit einer Frequenz von 100Hz, einer Amplitude von 4V und einem Offset von 1V.
AWG1(UDS) erzeugt eine Dreiecksspannung mit einer Frequenz von 500Hz (5 * 100Hz), einer Amplitude von 4V und einem Offset von 4V.
Triggern Sie auf die fallende Flanke (falling edge) mit einem Pegel (Level) von 2.5V der Treppenspannung OSC3, um ein stehendes Bild zu bekommen.
Erzeugen Sie für den Strom IDS eine Mathematikfunktion (C2 - C1)/1000.
Für die Mathematikfunktion wählen Sie eine Range von 1 mV/div.
Die Anzeige V können sie im Menü mit dem Handsymbol auf A umstellen.
Stellen Sie auf dem Oszilloskop mit einer x-y Darstellung (Add XY) das Ausgangskennlinienfeld dar.
Wählen Sie für die x-Achse C1, UDS und für die y-Achse die Mathematikfunktion Math1.
Fügen Sie hier einen Screenshot des Oszilloskopbildes ein.
Remove
Für die Messung einzelner Punkte wählen Sie für AWG1 und AWG2 Gleichspannung "--" aus. Tragen Sie die gemessenen Werte von IDS über VDS auf und bestimmen Sie den Kanallängen-Modulationsparameter \( \lambda \) mit Hilfe einer Regressionsgerade im Sättigungsbereich.
\( I_{DS} = \beta (V_{GS}-V{th0})^2 (1+ \lambda V_{DS} ) = \lambda \beta (V_{GS}-V_{th0})^2 V_{DS} + \beta (V_{GS} - V_{th0})^2 \)
\( I_{DS} = a V_{DS} + b \)
mit IDS = Y und VDS = X:
a: \( \lambda \beta (V_{GS}-V_{th0})^2 \)
b: \( \beta (V_{GS} - V_{th0})^2 \)
\( \lambda = \frac{a}{b} \)
Tragen Sie die Messdaten mit Dezimalpunkt in folgende Tabelle
| VAWG1 | VAWG2 | OSC1DC VDS |
OSC2DC | OSC3DC VGS |
IDS = (OSC2DC-OSC1DC)/1000 |
| [V] | [V] | [V] | [V] | [V] | [A] |
| 1 | 3 | ||||
| 2 | 3 | ||||
| 4 | 3 | ||||
| 6 | 3 | ||||
| 8 | 3 | ||||
| 10 | 3 |
Export Data
Wenn Sie die Daten nach Drücken von Export nicht auswählen können, benutzen Sie die Liste am Ende des Dokuments.
Transferieren Sie die Daten in Excel und legen Sie im Sättigungsbereich des Transistors eine lineare Trendlinie in die Messpunkte.
Lassen Sie sich die Geradengleichung anzeigen und bestimmen Sie λ.
Tragen Sie hier \( \lambda \) ein: V-1>
Fügen Sie hier einen Screenshot der Ausgangskennlinie in Excel ein:
Remove
4.3. Optional: Substratsteuereffekt
Bauen Sie die in Abb. 3 skizzierte Meßschaltung auf und messen Sie den Drainstrom IDS0 für VPAWG1 = VDS = 5 V, VGS= VAWG2 = Vth0 = 2 V und VP-= 0 V. Wählen Sie nun VP- = -1 V, -2 V,-3 V. Ändern Sie VAWG2 so, dass der Drainstrom ID (OSC1DC), so groß wie bei der Grundeinstellung ist. Die Spannung VAWG2 entspricht dann den Schwellspannungen Vthx.
Abb. 3. Messaufbau zur Untersuchung des Substratsteuereffekts
Tragen Sie hier IDS0 ein:
Tragen Sie hier VAWG2 = Vth(-1V) ein:
Tragen Sie hier VAWG2 = Vth(-2V) ein:
Tragen Sie hier VAWG2 = Vth(-3V) ein:
Tragen Sie die Einsatzspannungen Vth (VAWG2) über VBS (VP- ) in Excel auf.
\( V_{th} = V_{th0} + \gamma \left( \sqrt{-V_{BS}-2 \phi_F} - \sqrt{2 \phi_F} \right) \)
Fügen Sie hier einen Screenshot von Excel mit der Schwellspannungsänderung ein:
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Referenzen
[1] Praktikum elektronische Bauelemente, Reisch, Hochschule Kempten
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