Лабораторне заняття

Тема заняття. .Дослідження режимів роботи польового транзистора (ПТ).

Мета роботи: - Дослідити параметри польових транзисторів з керуючим p-n переходом.

- Дослідити параметри МДН-транзисторів та МОН-транзисторів.

Питання, що розглядаються при виконанні лабораторного заняття:

1. Вихідні і перехідні характеристики ПТ з каналом n –типу.

2. Вихідні і перехідні характеристики ПТ з каналом p-типу.

3. Робота ПТ в режимі підсилення.

Завдання до лабораторного заняття

1. Побудувати в Electronics workbench схему для дослідження ВАХ польового транзистору з керуючим p-n переходом (мал. 8).

2. Зняти сімейство вихідних характеристик польового транзистора при Uп=-1, -0,5, 0,+1,+2,+5

3. За цими характеристиками визначить напругу відсічки та крутизну ВАХ.

4. Заминити транзистор 2N3957 на транзистор BF 244A.

5 Повторити п.п. 2,3 для транзистора BF 244А.

6. Побудувати в Electronics workbench схему для дослідження ВАХ МДН- транзисторів (мал. 9).

7. Зняти сімейство вихідних характеристик при Uвх = -5В, -2В, -0,5В, 0В, 0,5В, 2В, 5В, визначити S.

8. За результатами вимірювань побудувати сімейства вихідних характеристик.

Контрольні питання до лабораторного заняття

1. Чим відрізняються уніполярні, польові та канальні транзистори?

2. Як побудован польовий транзистор з керуючим p-n переходом?

3. Як побудовани МДН- та МОН- транзистори?

4. Чим відрізняються МДН- та МОН- транзистори?

5. Назовить ознаки, що відрізняють МДН- транзисторів з індукційним та вбудованим каналом?

6. Яку роль грає під ложка в МДН- транзисторах?

7. Що таке порогова напруга та напруга відсічки?

Теоретична частина. Полевые транзисторы

Полевой транзистор — это трехэлектродный полупроводниковый прибор, работа которого основана на использовании электрического поля для изменения сопротивления полупроводникового канала. Полевые транзисторы называют униполярными, так как регулируемый ток в них создается основными носителями заряда, движущимися в канале с одн и м типом проводимости.

Электрод, из которого в канал втекают основные носители, называется истоком (И), а электрод, через который носители вытекают из канала, называется стоком (С). Управляющий электрод называется затвором (3). Напряжение, приложенное к затвору, регулирует ток через канал. Как исключение, встречаются полевые транзисторы с двумя затворами и с дополнительными, вспомогательными выводами.

Полевые транзисторы делятся на две большие группы: транзисторы с управляющим р-п-переходом и транзисторы с изолированным за­твором — МДП-транзисторы, содержащие металл (М), диэлектрик (Д) и полупроводник (П). Если диэлектриком является окись кремния, то полевые МДП-транзисторы называют МОП-транзисторами (в этом случае в обозначении транзистора О — окись).

Структура полевого транзистора с управляющим jp-и-переходом и />-каналом показана на рис. 1. На затвор транзистора подано обратное напряжение. Ток затвора i₃ при этом будет пренебрежимо мал. Протекающие под действием ЭДС £_с„ токи истока и стока будут практиче­ски равны друг другу: 1„ = i_c. Величина тока стока определяется сопротивлением канала сток-исток, а сопротивление этого канала зависит от ширины /7-п-перехода, возникающего между каналом и затвором. Как известно в р-л-переходе имеется обедненный носителями запирающий слой, сопротивление которого велико (на рис. 1 этот слой по­казан штриховкой). При увеличении запирающего напряжения, пода ваемого на затвор, ширина/>-и-перехода увеличивается.

Рис.1

Это приводит к уменьшению толщины канала сток-исток и к уменьшению тока сто­ка. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, управляем током стока полевого транзистора. Аналогично работает полевой транзи­стор с л-каналом.

Токи затвора полевого транзистора очень малы и на регулирование проводимости канала сток-исток транзистора затрачивается малая мощность. Поэтому в схемах с полевыми транзисторами (например, в схеме на рис. 1) легко получить большое усиление мощности.

Условные обозначения полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом ср- и л-каналами приведено на рис. 2, а и рис. 2, б соответ­ственно. На практике чаще используются транзисторы с л-каналами.

Основная схема включения полевого транзистора — это схема с общим истоком (рис. 1). Входные характеристики полевого транзистора в этой схеме соответствуют ВАХ

а) б)

Рис.2

диода при подаче обратного напряжения (рис. 6.1.2). Из-за малости тока затвора эти ВАХ, как пра­вило, подробно не рассматриваются.

На рис. 3 приведены выходные вольт-амперные характеристики полевого транзистора с л-каналом. Правее линии Н на этом рисунке расположена область насыщения. В области насыщения ток стока практически не зависит от напряжения на стоке транзистора. Такой

Рис.3

вид ВАХ объясняется следующим свойством транзистора. Рассмотрим точки а и б в. канале транзистора (рис. 1). Напряжения между этими точками и корпусом будет разными, причем щ>и_Л. Следовательно, будут разными напряжения между указанными точками канала и затвором. Так как напряжение между точкой б и затвором больше, чем напряжение между точкой а и затвором, то обедненный слой вблизи точки б будет толще обедненного слоя вблизи точки а. При увеличении напряжения на стоке проводящий канал у стока почти перекрывается обедненным слоем и при дальнейшем увеличении на­пряжения сопротивление канала возрастает примерно пропорцио­нально напряжению на стоке. В результате при увеличении напряжения на стоке ток стока остается практически неизменным (рис. 3).

Из анализа выходных характеристик полевого транзистора следует, что в рабочей области, соответствующей области насыщения, по­левой транзистор близок по свойствам к управляемому источнику то­ка. Поэтому линейная эквивалентная схема полевого транзистора с п-каналом (рис. 4) в качестве основного элемента содержит зависимый источник тока. Ток источника на эквивалентной схеме управляется входным напряжением: /_с = S U_m, где S— крутизна, равная, как пра­вило, 2 ... 20 мА/В, U_m — управляющее напряжение между затвором и истоком.

Рис 4

Отличительная особенность полевого транзистора — очень боль­шое входное сопротивление, зависящее, в основном, от сопротивле­ния г_ж, которое равно сотням килоом или единицам мегаом.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП- транзисторы) изготавливаются с каналами р- и n-типов. Структура по­левого МДП- транзистора с «-каналом показана на рис. 5. Металличе­ский затвор надежно изолирован от канала диэлектриком (Д), в каче­стве которого часто используются окислы кремния (в этом случае получим МОП-транзистор). Из полупроводника n-типа изготовлены области стока и истока. От основного полупроводника p-типа изго­тавливается дополнительный вывод, называемый выводом подложки (п).

Рис 5

Пусть напряжение питания Е_с„ > 0. При нулевом напряжении на за­творе ток между истоком и стоком практически равен нулю, так как один из имеющихся /p-n-переходов будет закрыт (на рис. 5 закрыт р-п- переход между стоком и подложкой).

При подаче на затвор небольшого положительного напряжения U_зи из глубины р-полупроводника к затвору начинают дрейфовать несновные носители — электроны. В приповерхностном слое под затво­ром в результате рекомбинации подошедших электронов и дырок вначале возникает обедненный основными носителями слой — режим обеднения. Затем при увеличении напряжения на затворе под затвором образуется слой с инверсией проводимости: вместо дыроч­ной возникает электронная проводимость, и появляется режим обо­гащения канала носителями зарядов — электронами. Электроны в ин­версный слой поступают также из и-областей стока и истока, где их очень много. Возникающий приповерхностный л-слой хорошо пропускает ток от истока к стоку и называется индуцированным каналом (на рис. S. канал ограничен пунктиром и показан серым цветом).

Обозначения МДП-транзисторов с индуцированными каналами и- и /7-типов приведены на рис. 6, а, б соответственно. Выходные вольт-амперные характеристики МДП-транзистора аналогичны ВАХ полевого транзистора с управляющим /»-л-переходом. Выходные ха­рактеристики МДП-транзистора также имеют область насыщения, возникно-

а) б)

Рис. 6

вение которой объясняется сужением канала вблизи стока. Сужение канала обусловлено неравномерным распределением напря­женности электрического поля между затвором и каналом при увеличении напряжения на стоке.

Кроме полевых транзисторов с индуцированным каналом широко используются МДП-транзисторы с встроенным каналом. Условные обозначения МДП-транзисторов с встроенными каналами и- ир-типов приведены на рис. 7, а, б соответственно. Встроенный канал изготав ливается при производстве транзисторов в виде тонкого слоя полупроводника

а) б)

Рис. 7

и- или/кгипа, размещаемого под затвором. Тип проводимости областей стока, истока и канала должен быть одинаков. Конструкция МДП-транзистора с встроенным w-каналом аналогична конструкции рассмотренного выше полевого транзистора, показанного на рис. 5, при условии, что ограниченный пунктиром л-канал создан при изготовлении транзистора.

Встроенный канал пропускает ток при нулевом напряжении на затворе. При небольших напряжениях на затворе канал может работать и в режиме обеднения, и в режиме обогащения. Ток стока управляется как положительным, так и отрицательным напряжениями. Эквивалентная схема МДП-транзистора аналогична схеме замещения транзистора с р-и-переходом (рис. 4). У МДП-транзисторов, как правило, несколько больше крутизна, а также более чем на порядок больше значение сопротивления между затвором и истоком по сравнению с полевыми транзисторами с управляющим /ьи-переходом.

При изготовлении интегральных схем и микропроцессоров часто на одном чипе изготавливаются и используются полевые транзисторы как с р-, так и с и-каналами. В этом случае эти транзисторы и схемы называются комплементарными, дополняющими друг друга.

Отметим, что затраты на управление полевым транзистором во много раз меньше затрат на управление биполярным транзистором. По этой причине полевые транзисторы широко используются при изготовлении интегральных схем и микропроцессоров. Интегральные схемы и микропроцессоры с использованием полевых транзисторов имеют малую потребляемую мощность, в их состав можно включать увеличенное число транзисторов.