Министерство образования Российской Федерации

Казанский Государственный Технический Университет

им. А.Н. Туполева

_______________________________________________________________

Кафедра Теоретической радиотехники и электроники

Д.В. Погодин

ИССЛЕДОВАНИЕ полевых транзисторов

Методические указания к лабораторной работе N 416

по курсу “Электротехника и электроника”

Казань 2005

Цель работы – ознакомиться с физическими основами работы разных видов полевых транзисторов, а также их основными параметрами и характеристиками.

1. Основные понятия и расчетные соотношения

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых управление выходным током, протекающим между двумя электродами, осуществляется с помощью поперечного электрического поля создаваемого напряжением, приложенным к третьему электроду, путем изменения сопротивления полупроводникового слоя – канала, проводящего ток. С этим и связано их основное название. Работа полевых транзисторов основана на движении только основных носителей заряда, т. е. дырок или электронов. А потому их иногда называют униполярными.

Электрод полевого транзистора, через который втекают носители заряда в канал, называется истоком (И), а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, называется стоком (С). Эти электроды обратимы. С помощью напряжения, прикладываемого к третьему электроду, называемому затвором (3), осуществляют изменение сопротивления канала, путем изменения удельной проводимость или площади сечения канала.

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим р-n -переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы, пред-ставляющие собой структуру металл — диэлектрик — полупровод-ник). МДП-транзисторы, в свою очередь, делятся на транзисторы со встроенным и индуцированным каналом.

Рис.1.1.

Полевые транзисторы обладают существенными преимуществами по сравнению с биполярными транзисторами. Одним из основных достоинств полевого транзистора является его высокое входное сопротивление (10⁶— 10⁷ Ом — у транзисторов с управляющим p-n-переходом и 10¹⁰ —10¹⁵ Ом у МДП-транзисторов). Они более устойчивы к воздействию ионизирующих излучений, хорошо работают и при очень низкой температуре, вплоть до температуры жидкого азота (—197 °C). Кроме того, они характеризуются низким уровнем шумов. МДП-транзисторы широко применяются в интегральных микросхемах.

1.1 Устройство и принцип действия полевого транзистора с электронно-дырочным переходом

Рассмотрим n-канальный полевой транзистор. Он состоит (рис.1.1) из слаболегированного полупроводника n-типа выполненного в виде пластины, которая представляет собой канал. На каждую из боковых граней пластины наносится слой высоколегированного полупроводника с противоположным типом (p+) проводимости - он представляют собой затвор. Оба слоя материала, нанесенные на боковые грани, чаще всего электрически соединены и образуют электрод, имеющий внешний вывод через омический контакт. Этот электрод называется затвором (З). Между затвором и каналом образуется р-n –переходы, причем его обедненная область расположена в канале, т.к. он слаболегирован примесями.

Т орцы пластины снабжены электродами, имеющими омические контакты, с помощью которых прибор и включается в электрическую цепь. Один из выводов называют истоком (И). Его заземляют (соединяют с общей точкой схемы), а другой называет стоком (С). На сток подают напряжение U_си такой полярности, чтобы основные носители канала двигались к стоку.

При включении в схему сток и исток можно менять местами. Такое включение называется инверсным. Объем полупроводника, заключенный между р-n- переходами, называется проводящей частью канала.

Если исходная пластина изготовлена из полупроводника n –типа, то в этом случае сток подключается к положительному полюсу источника ЭДС, а исток — к. отрицательному.

Если к затвору полевого транзистора приложить Рис. 1.1

отрицательное по отношению к истоку и являющееся обратным для р- n- перехода напряжение U_зи, то толщина обедненного слоя р- n- перехода увеличится, а сечение проводящей части канала уменьшится. Следовательно, меняя напряжение U_зи, можно изменять электрическое сопротивление канала. В результате будет меняться ток I_c, протекающий в цепи исток-сток под действием приложенного к стоку напряжения U_си. Если исток и сток заземлены, то сечение канала на всем его протяжении будет одинаковым, так как обратное смещение р-n- перехода постоянно по длине канала и равно U_зи. При достаточно большом положительном смещении на затворе обедненный слой переходов займет весь канал. Напряжение на затворе, при котором поперечное сечение канала становится равным нулю, называется напряжением отсечки U_{зи отс}. Приложение напряжения U_си меняет конфигурацию канала. Потенциал канала у истока равен нулю, а вблизи стока — U_си. Напряжение на р-n- переходе вблизи истока будет равно U_зи, а вблизи стока — U_зи+|U_си|. Область обедненного слоя у стокового конца расширяется.

В цепи затвора протекает малый ток обратносмещенного р-n- перехода I_з. Поэтому входная проводимость полевого транзистора для постоянного тока и переменного тока низкой частоты может быть очень малой.

1.2. Статические характеристики полевого транзистора с электронно-дырочным переходом

Если полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (ОИ), то связь токов и напряжений могут быть охарактеризованы следующими ВАХ:

Обычно применяются две последние характеристики.

Типичное семейство выходных ВАХ полевого транзистора с p-n- переходом показано на рис 1.2.

рис. 1.2. Рис.1.3. рис. 1.4.

Рассмотрим зависимость I_c=f(U_си) при малых отрицательных напряжениях U_си. Ток I_c увеличивается с ростом напряжения на стоке почти линейно. Область I семейства характеристик называется крутой. В этой области транзистор может быть использован как омическое управляемое сопротивление. Далее линейная зависимость между U_си ток I_c нарушается, так как уменьшается сечение канала и увеличивается его сопротивление. Начиная с некоторого значения напряжения U_си рост тока стока I_c практически прекращается и его величина почти не зависит от напряжения. Это связано с тем, что увеличение напряжения на стоке, с одной стороны, вызывает увеличение тока стока, с другой — сужение канала, которое, в свою очередь, уменьшает ток. Напряжение на стоке, при котором возникает этот режим, называется напряжением насыщения U_{си нас}. Область II характеристик, в которой ток I_с мало зависит от напряжения U_си называется областью насыщения или пологой областью. Увеличение напряжения на стоке выше определенной величины приводит к электрическому пробою р-n- перехода у стокового конца канала (область III), так как в этой части прибора к р-n- переходу приложено наибольшее обратное напряжение.

При подаче на затвор обратного напряжения область насыщения будет соответствовать меньшим по модулю значениям напряжения на стоке. Меньшим становится и ток в области насыщения, пробой также наступает при меньших значениях напряжений | U_си |.

При напряжении U_зи=0 напряжение насыщения равно напряжению отсечки. Можно показать, что при положительных напряжениях на затворе напряжение насыщения определяется по формуле

1.1.

В системе координат U_си, I_c кривая, соединяющая точки, соответствующие значениям U_{си нас} при разных значениях U_зи, является параболой, выходящей из начала координат (пунктирная линия на рис. 5.3).

Если управляющий р -n переход смеcтить в прямом направлении, ток стока увеличится. При этом резко возрастает входная проводимость прибора. Такой режим на практике не используют.

Характеристика прямой передачи (стоко-затворная характеристика) (рис. 1.3) может быть легко получена из семейства выходных характеристик, если при фиксированном напряжении U_си отмечать величину напряжения U_зи и соответствующие ему значения I_c. Изменение напряжения U_си в пределах области насыщения мало влияет на поведение стокозатворной характеристики.