Лабораторна робота №5.
Характеристики уніполярного транзистора.
Мета роботи: За допомогою емулятора EWB-5.12 дослідити основні характеристики уніполярного транзистора при включенні з загальним витоком.
Прилади: IBM сумісна ПЕОМ, пакет EWB-5.12.
Теоретичні відомості
Польовий транзистор - це трьохелектродний напівпровідниковий прилад, в каналі, який представляє собою напівпровідник лише одного типу провідності, струм створюється зовнішньою поздовжньою прикладеною напругою, а управління перерізом каналу (а, значить, і струмом, що проходить по ньому) здійснюється за рахунок ефекту поля, створюваного поперечною напругою, прикладеною до керуючого електроду - затвору.
Всі польові транзистори поділяють на дві групи: польові транзистори з керуючим pn-переходом і польові транзистори з ізольованим затвором. В обох групах польових транзисторів електроди називають витоком В (відповідає емітеру Е біполярного транзистора), затвором З (відповідає базі Б) і стоком С (відповідає колектору К).
На рис.1а схематично зображений польовий транзистор з pn-переходом і каналом n-типу.
Витік, стік і затвор (утворений паралельно з'єднаними р-областями) включаються в ланцюг за допомогою омічних виводів з n- і р-областей. Подача на затвор негативної напруги щодо витоку призводить до збіднення електронами ділянок каналу, що примикають до затвора. Ширина pn-переходу зростає, а переріз каналу зменшується, що призводить до збільшення його опору.
Розглянемо вихідні характеристики польового транзистора (рис.1б). При малих значеннях напруги між стоком і витоком Uсв струм Iс пропорційний напрузі Uсв і визначається вихідним перерізом каналу. Із збільшенням цього перерізу позитивний потенціал, прикладений до стоку, будучи зворотним для pn-переходів, розширює їх в області, що примикає до стоку, в результаті чого канал приймає форму лійки біля стокового кінця з підвищеним опором для струму Iс. У результаті настає режим насичення (рис.1б).
При подачі на затвор негативної напруги Uзв початковий переріз каналу зменшується, і режим насичення наступає раніше. Тому вихідні характеристики лежать нижче.
Залежність струму на виході Iс від напруги на вході називається прохідною, передавальною або стокозатворною характеристикою (рис.1в). Напруга Uзв, при якій канал повністю перекривається (Iс=0), називається напругою відсічення Uвідс. Так як Uзв є зворотною для pn-переходів, струм у вхідному ланцюзі при цьому є зворотним струмом для pn-переходу і, зважаючи на його малість, польовий транзистор можна вважати приладом, керованим напругою. Ця властивість визначає високий вхідний опір польових транзисторів. При величинах напруг Uзв, більших за Uвідс, прохідна характеристика описується рівнянням:
Рис.1
, (1)
де Ісв - струм стоку при Uзв=0. На практиці ця величина струму для польового транзистора є граничною, оскільки позитивних напруг затвор-витік намагаються уникати, щоб не втратити переваг, що забезпечуються дуже малим струмом затвора.
За передавальною характеристикою транзистора може бути визначений такий його параметр, як крутизна:
при Uсв=const.
Диференціюванням виразу (1) можна визначити крутизну:
.
Особливий інтерес становить значення крутизни при Ic=Icв. Для польових транзисторів з керуючим pn-переходом це максимальне значення крутизни:
.
Можна відзначити, що при рівних струмах стоку польового і колектора біполярного транзисторів крутизна польового транзистора значно нижча, ніж у біполярного.
За вихідними характеристиками можна визначити вихідний або внутрішній опір транзистора
при Uзв=const.
Поряд з розглянутим транзистором з n-каналом є транзистори з p-каналом. Принцип дії їх аналогічний; відмінність полягає лише в протилежній полярності джерел живлення. Умовні позначення обох типів транзисторів приведені на рис.1г, д. Польові транзистори з pn-переходом застосовують в основному для посилення сигналів.
Польові транзистори з ізольованим затвором.
У цій групі транзисторів затвор являє собою тонку плівку металу, ізольовану від напівпровідника, у якому формується канал, що проводить. Залежно від виду ізоляції розрізняють МДН (метал-діелектрик-напівпровідник) та МОН (метал-оксид-напівпровідник) транзистори.
Витік і стік формують у сильно легованих областях напівпровідника. Як МДН, так і МОН-транзистори можуть бути виготовлені з каналом p- і n-типів. Канал у цій групі транзисторів може бути вбудованим (тобто створеним при виготовленні) та індукованим (тобто наведеним під впливом напруги, прикладеної до затвора).
На рис.2 зображено МДН-транзистор з вбудованим каналом n-типу, що з'єднує витік і стік (n+-області). Ці області утворені у підкладці - напівпровіднику р-типу.
В залежності від полярності напруги Uзв, прикладеної до затвора щодо витоку, канал може збіднюватися чи збагачуватися основними носіями - електронами. При негативній напрузі на затворі Uзв електрони виштовхуються з області каналу в підкладку, канал збіднюється носіями, і струм Iс знижується. Позитивна напруга на затворі втягує електрони з підкладки в канал і струм через канал зростає. На відміну від польового транзистора з pn-переходом, МДН-транзистор з вбудованим каналом може управлятися як негативною, так і позитивною напругою, що відображено на його передавальних і вихідних характеристиках (рис.2г, д).
Рис.2
Польовий транзистор з ізольованим затвором і індукованим каналом
Цей вид транзистора відрізняється від попереднього тим, що при відсутності напруги на затворі канал відсутній (рис.3а). Подача на затвор негативної напруги не змінює картини. Якщо ж на затвор подати позитивну напругу більше порогової Uзв> Uзв пор, то створене нею електричне поле "втягує" електрони з n+‑областей, утворюючи тонкий шар n-типу в приповерхневій області р-підкладки.
Цей шар сполучає витік і стік, будучи каналом n-типу. Від підкладки канал ізолюється виниклим збідненим шаром.
Таким чином, польові транзистори з індукованим n-каналом, на відміну від транзисторів з вбудованим каналом, управляються тільки позитивним сигналом Uзв> Uзв пор. Значення Uзв пор≈0,2 ÷ 0,1 В.
Значно більша порогова напруга у транзисторів з індукованим р-каналом (рис.4) (значення Uзв пор≈- (2 ÷ 4) В). Управляються вони негативним вхідним сигналом.
Переваги польових транзисторів:
1. Високий вхідний опір для транзисторів з pn-переходом 106÷109 Ом, а для МДН або МОН транзисторів 1013÷1015 Ом.
2. Малий рівень власних шумів, немає рекомбінаційного шуму.
3. Висока стійкість проти температурних і радіоактивних впливів.
4. Висока щільність розташування елементів при виготовленні інтегральних схем.
Рис.3
Рис.4
Виконання роботи
Для виконання роботи змоделювати схему, представлену на рис.5. Транзистор обирається згідно свого варіанту (див. таблицю у додатку).
Рис.5
1. Зняття стоко-затворної характеристики польового транзистора.
Передавальна (стоко-затворна) характеристика польового транзистора являє собою залежність струму стоку Ic від величини напруги на затворі:
.
Для отримання сімейства цих характеристик необхідно резистором встановити постійну напругу на вольтметрі V2 і, змінюючи резистором R1 напругу на затворі (за показами вольтметра V1), спостерігати зміну сили струму стоку Ic.
Провести вимірювання параметрів кривих Ic=f(Uзв) для прийнятної кількості точок. Результати експерименту звести в таблицю 1
Таблиця 1
№ Uсв=2
В
Uсв=4
В
Uсв=8
В
з/п Uзв, В Iс, mA Uзв, В Iс, mA Uзв, В Iс, mA
1.
2.
…
Uвідс
Sексп
Smax
За
передавальною характеристикою транзистора
визначити крутизну:
.
Знаючи напругу відсічення Uвідс при Iс=0 і враховуючи рівняння
,
визначити максимальне значення крутизни:
,
де Iсв – струм стоку при Uзв=0.
Результати розрахунків занести в таблицю 1.