4 . Вах триода обратной проводимости (n – p – n) .

Схема с ОБ .

Для снятия характеристик триода n –p – n – типа в схеме с ОБ следует : перевести переключатели S1 – вниз , S2 – вверх , S3 – вниз , S4 – вниз ; соединить источники питания E1 , E2 и вольтметр pV с гнездами G1 , G2 , G3 , G4 , G5 , G6 в соответствии с рис. 19 ; на левой боковой стенке вставить перемычку , расширяющую предел измеряемого тока pA1 до 20 мА .

Рис. 19

Эмиттерные ВАХ I_э = f(U_эб) при U_кб. _i = const .

Необходимо снять три эмиттерные ВАХ при трех различных значе − ниях U_кб , например 0 В , −3 В , −5 В ;

а) поворачивая шток потенциометра R2 по часовой стрелке , устано − вить заданное значение U_кб = const , контролируя его по вольтметру pV2 ; поворачивая шток потенциометра R1 по часовой стрелке устанавливать и записывать значения I_э и U_эб по миллиамперметру pA1 и вольтметру pV1 ; количество измерений не менее 10 ; большая часть измерений должна приходиться на область пятки и выхода на омический (ли − нейный) участок эмиттерной ВАХ ;

б) повторить измерения по п. «а» при других значениях U_кб = const .

в) установить с помощью потенциометров R1 и R2 значения U_эб и U_кб равными нулю .

Коллекторные ВАХ I_к = f(U_кб) при I_э.i = const .

Необходимо снять 10 коллекторных ВАХ при (десяти) раз −личных значениях I_э . которые определяет преподаватель , ведущий занятия ;

а) установить потенциометром R1 требуемое значение I_э = const по миллиамперметру pA1 ; изменяя потенциометром R2 напряжение U_кб , записывать показания pA2 и pV2 (количество точек не менее 10) ;

б) повторить измерения по п. «а» при других значениях I_э = const ;

в) установить напряжения U_эб и U_кб равными нулю .

Схема с ОЭ .

Для снятия характеристик триода , включенного по схеме с ОЭ , следует : перевести переключатели S1 – вверх , S2 – вверх , S3 – вниз , S4 – вверх ; соединить источники питания E1 , E2 и вольтметр pV1 к гнездам G1 , G2 , G3 , G4 , G5 , G6 в соответствии с рис. 20 .

Рис. 20

Эмиттерные ВАХ I_б = f(U_бэ) при U_кэ.i = const .

Необходимо снять три эмиттерные ВАХ при трех различных зна − чениях U_кэ , например 0 В , −3 В , −5 В . В схеме с ОЭ входным током является ток базы I_б = I_э/(1 + β) , поэтому в данном случае , при снятии эмиттерных характеристик можно снять перемычку , расширяющую пределы измерения миллиамперметра pA1 .

а) Поворачивая шток потенциометра R2 по часовой стрелке , установить заданное значение U_кэ = const , контролируя его по вольтметру pV2 ; поворачивая шток потенциометра R1 по часовой стрелке устана − вливать и записывать значения I_б и U_бэ по миллиамперметру pA1 и вольтметру pV1 ; количество измерений не менее 10 ; большая часть измерений должна приходиться на область пятки и выхода на оми − ческий (линейный) участок эмиттерной ВАХ ;

б) повторить измерения по п. «а» при других значениях U_кэ = const .

в) установить с помощью потенциометров R1 и R2 значения U_бэ и U_кэ равными нулю .

Коллекторные ВАХ I_к = f(U_кэ) при I_б.i = const .

Необходимо снять 6 коллекторных ВАХ при (шести) различных значениях I_б , которые определяет преподаватель , ведущий занятия ; установить напряжение U_кэ.мин ≈ 0,8…1,0 В ;

а) установить потенциометром R1 требуемое значение I_б = const по миллиамперметру pA1 ; изменяя потенциометром R2 напряжение U_кэ , записывать показания pA2 и pV2 (количество точек не менее 10) ;

б) повторить измерения по п. «а» при других значениях I_б = const ;

в) установить напряжения U_бэ и U_кэ равными нулю .

IV . Содержание отчета

Отчет должен содержать

1. Наименование и цель работы .

2. УГО и таблицы основных данных исследуемых диодов .

3. Таблицы наблюдений .

4. Графики экспериментальных ВАХ триодов .

5. Определение по графикам дифференциальных параметров триодов , оценка параметров в схемах включения ОБ и ОЭ .

6. Отчет выполняется каждым участником работы .

V . Контрольные вопросы

1. Биполярные триоды (БПТ) : УГО и структуры триодов разных типов проводимости . Опишите по простейшей конструкции плоскостного БПТ работу последнего .

2. Опишите принцип действия БПТ на примере p – n – p – типа , включенного с ОБ ; для объяснения используйте структуру и потенци − альные диаграммы .

3. Опишите принцип действия БПТ на примере n – p − n– типа , включенного с ОБ ; для объяснения используйте структуру и потенци − альные диаграммы .

4. Коллекторные ВАХ ; изобразите схему и дайте подробное описание эксперимента , в котором снимается семейство ВАХ .

5. Опишите семейство коллекторных ВАХ : выделите области на се − мействе , напишите формулу ВАХ , охарактеризуйте параметры семей − ства ; как определить параметры по ВАХ ?

6. Эмиттерные ВАХ БПТ ; изобразите схему и дайте описание экс − перимента , в котором снимается семейство ВАХ . Какие параметры определяются на эмиттерной ВАХ , как влияет на ход характеристики напряжение U_кб ?

7. Коллекторные ВАХ схемы включения с ОЭ . Изобразите схему и дайте подробное описание эксперимента , в котором снимаются харак − теристики ; напишите формулу ВАХ (в активной области) , изобразите семейство ВАХ .

8. Выделите области на семействе коллекторных ВАХ (схема с ОЭ) . Как вывести БПТ в состояние отсечки , насыщения , в активную область ? Чем отличаются эмиттерные ВАХ схем включения с ОБ и ОЭ ?

9. Линейная схема замещения БПТ включенного с ОБ и ее диффе − ренциальные параметры . Как определить дифференциальные параметры по ВАХ БПТ ?

10. Линейная схема замещения БПТ , включенного с ОЭ и ее диффе − ренциальные параметры . Как определить дифференциальные параметры по ВАХ БПТ ?

11. Изобразите схемы включения с общей базой БПТ прямой и обратной проводимости с указанием полярности U_кб , U_эб .

12. Изобразите схемы включения с общим эмиттером БПТ прямой и обратной проводимости с указанием полярности U_кэ , U_бэ .

Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПОЛЕВЫХ ТРИОДОВ

Ц е л ь р а б о т ы . Ознакомиться со статическими характеристиками и параметрами .

I. Т е о р е т и ч е с к и е с в е д е н и я

ПТ универсальный прибор , который может работать в ре жимах управляемого сопротивления и ключа (рис. 1) . УГО различных типов полевых триодов , используемых в схемотехнике представлены на рис. 2 . У ПТ три электрода : исток , затвор и сток .

Если сравнивать ПТ с биполярным триодом , то исток – это аналог эмиттера , затвор – аналог базы , сток – коллектора . Между истоком и стоком располагается канал , по которому протекает ток стока . Главной

Рис. 1

особенностью , отличающей ПТ от БПТ является то , что полевой триод в статике не потребляет ток от источника входного сигнала , т. е. уп − равляется только входным напряжением .

По структуре (строению) ПТ подразделяют на триоды с изолиро − ванным затвором (ПТИЗ) и с управляющим p – n переходом ; по типу проводимости − на триоды с каналом p – типа и n – типа .

У полевых триодов с изолированным затвором управляющий метал − лический электрод (затвор) отделен от полупроводниковой основы , в которой находится проводящий канал , слоем диэлектрика (изолятора) .

Рис. 2

В технике такие ПТ называют МДП − транзисторами (МДП – металл - диэлектрик – полупроводник) . В качестве диэлектрика чаще всего ис − пользуется двуокись кремния SiO₂ , обладающая хорошими изолирую − щими свойствами . Поэтому иногда , для обозначения ПТИЗ , используется равноценная аббревиатура МОП – транзисторы .

У ПТ с управляющим p – n – переходом затвор триода в рабочем ре − жиме отделен от канала обратно смещенным переходом , имеющим большое сопротивление .

ПТИЗ с индуцированным каналом n - типа . Принцип действия . Характеристики .

Структура триода (точнее ее фрагмент) представлена на рис. 3 . Основой прибора является подложка – слой п/п – ка p – типа . Нижняя грань слоя металлизирована от нее выводится электрод подложки П . Верхняя грань закрыта маской (диэлектриком) , защищающей поверх − ность подложки от внешней среды . В маске вытравливаются окна , через которые , в одной из технологических операций , вводятся большие кон − центрации донорной примеси . В результате около окон в подложке p – типа формируются области n – типа с повышенной концентрацией электронов n⁺ .

Окна закрываются металлическими пробками с электродами истока И и стока C . Поверхность маски между стоком и истоком металлизируется , от металлизации выводится электрод затвора З .

В подложке между p и n⁺ областями образуется стоковый и исто − ковый p – n – переходы (и соответственно потенциальные барьеры) , рис. 3, а . Включение источника напряжения U_си , как указано на рисунке (а) , приводит к расширению стокового перехода . Истоковый переход оста − ется равновесным, т. к. потенциалы подложки и затвора равны ( З и П закорочены ) . Связь между переходами через подложку отсутствует . В этом случае говорят , что отсутствует проводящий слой между С и И .

Рис. 3 ,б поясняет формирование канала при подключении источника напряжения U_зи («+» к затвору , «−» к подложке) .

Рис. 3

Под действием U_зи между затвором и подложкой , разделенных очень тонким слоем диэлектрика , развивается сильное электрической поле (E = U/l) , направленное от затвора в подложку . При малых значениях U_зи поле вытесняет дырки из подложки под затвором , здесь образуется обедненная подвижными зарядами область . С ростом U_зи поле начинает втягивать в эту область неосновные носители – электроны . Таким обра − зом , между стоком и истоком в подложке формируется проводящий канал . Чем больше U_зи , тем больше сечение канала .

Напряжение U_зи , при котором начинает формироваться канал назы − вают пороговым и обозначают U_зи.пор . Типовые значения U_зи.пор ≈ 3…5В . Отметим , что канал отделен электронейтральной области обедненным слоем (рис. 3 ,б) ; затвор отделен от канала изолятором , поэтому ток затвора отсутствует .

На рис. 3 , в ,г показаны разные состояния триода , когда одновремен − но подключены два источника напряжения U_зи и U_си . При подключении и увеличении U_си стоковый переход смещается обратно , расширяется , растет поле перехода . Под действием поля электроны канала , находя − щиеся вблизи перехода , дрейфуют (перебрасываются) в n⁺ − область стока . Таким образом , появляется поток электронов от истока к стоку . Соответствующий этому потоку ток , направлен от стока к истоку и называется током стока I_с .

По мере увеличения U_си (при U_зи = const) количество электронов , дрейфующих в сток растет , сечение канала около стока постепенно уменьшается , а сопротивление канала , также постепенно увеличивается . Пока U_си мало I_с увеличивается практически линейно . При U_си ≥ U_си.н (напряжение насыщения)

Рис. 4

сечение канала около стокового перехода становится равным нулю , теперь переход представляет собой обедненную область (как кол − лекторный переход БПТ в активной области) . Сопротивление канала R_i резко возрастает и любое приращение ΔU_си сверх U_си.н компенсируется приращением падения напряжения на высокоомном сопротивлении R_i , поэтому ток стока I_с далее практически не увеличивается . Наступает режим отсечки приращений тока стока . R_i – дифференциальное соп − ротивление . Ток стока при U_си.н называют током насыщения I_с.н .

Задаваясь различными значениями U_зи = const можно эксперимен − тально снять семейство стоковых ВАХ триода : I_с = f(U_си) при U_зи.i = const (рис. 4 ,а) . Если U_зи <U_зи.пор , ток стока мал ; у маломощных ПТ интег − ральных микросхем его называют током утечки , I_ут ≈ 10⁻⁹…10⁻¹⁰А .

Чем больше напряжение U_зи , тем больше U_си.н . Численное значение

U_си.н определяется выражением U_си.н = U_зи − U_зи.пор .

На рис. 4 ,а представлено семейство идеализированных стоковых ВАХ ПТИЗ с индуцированным каналом n − типа (рис. 3, в) .

Формула идеализированной ВАХ хорошо аппроксимируется системой уравнений

{ 0 при U_зи < U_зи.пор (1) ;

I_с = { k[(U_зи − U_зи.пор)∙U_си − 0,5U²_си] при U_си < U_си.н , U_зи > U_зи.пор (2) ;

{ 0,5k(U_зи − U_зи.пор)² при U_си > U_си.н , U_зи > U_зи.пор (3) ;

где k − удельная крутизна триода .

На семействе стоковых ВАХ можно выделить три области :

1) область , соответствующая первому уравнению системы , когда I_с ≈ 0 ; аналог области отсечки у БПТ ;

2) область относительно линейной зависимости тока стока I_с от нап − ряжения U_си для каждой из характеристик ; ее называют областью оми − ческого сопротивления ПТ ; соответствует второму уравнению системы ; аналог области насыщения у БПТ ;

3) область большого дифференциального сопротивления канала R_i , соответствует третьему уравнению системы ; аналог активной области у БПТ .

На рис. 5 изображены стокзатворные характеристики триода с инду − цированным каналом n – типа I_с = f(U_зи) , снятые при двух значениях U_си = const . Характеристика указывает на знак и величину сигнального напряжения U_зи > U_зи.пор , которое необходимо подать на затвор , чтобы сформировать (индуцировать) канал и открыть триод .

ПТИЗ с индуцированным каналом p – типа (рис. 4 ,б) работает также , как и рассмотренный выше . Главные отличия : основой прибора является подложка n – типа ; проводимость канала инверсна по отношению к проводимости подложки , т.е. p – типа ; на затвор и сток подаются нап − ряжения, отрицательные относительно истока −U_зи , −U_си ; ток стока I_с направлен от истока к стоку .

Рис. 5

ПТИЗ с индуцированным каналом применяют в основном в импульсных схемах .

ПТИЗ с встроенным каналом . Принцип действия . Характеристики .

У триодов данного типа канал n − или p −проводимости встраивается в подложку в одной из технологических операций . На рис. 6 изобра − жены структура ПТИЗ с встроенным каналом n – типа и семейство сто − ковых характеристик . При напряжении U_зи = 0 и U_си >0 в канале проте − кает ток I_с , этим условиям соответствует нулевая стоковая ВАХ (рис. 6 ,б) .

а б

Рис. 6

Если U_зи > 0 , то затвор «заряжается» положительно по отношению к подложке и из нее в канал втягиваются дополнительные электроны , иначе говоря , канал обогащается подвижными зарядами , проводимость его растет , следовательно , увеличивается ток стока I_с при U_си = const .

Если U_зи < 0 , то затвор «заряжается» отрицательно по отношению к подложке и электроны вытесняются из канала , иначе говоря канал обедняется подвижными зарядами , его проводимость падает , ток стока I_с уменьшается . Рост напряжения на затворе , |−U_зи| , в конечном итоге приводит к полному вытеснению электронов из канала , тогда I_с ≈ 0 . Напряжение U_зи , при котором I_с ≈ 0 называют напряжением отсечки U_зи.отс .

На рис. 7 ,а представлены стокзатворные ВАХ ПТИЗ с встроенным и индуцированным каналами n – типа Из сравнения характеристик следует

а б

Рис. 7

вывод : ПТИЗ с встроенным каналом может работать в режимах обо − гащения и обеднения , ПТИЗ с индуцированным каналом − только в режиме обогащения . На рис. 7 ,б изображены сток − затворные ВАХ ПТИЗ с встроенными каналами n и p – типа .

ПТИЗ с встроенным каналом применяют в схемах линейного усиле − ния сигналов и импульсных схемах .

ПТ с управляющим p – n – переходом и каналом n – типа .

На рис. 8 изображены реальная структура ПТ с каналом n – типа , УГО ПТ с каналами n и p – типа соответственно , условные структуры для описания принципа действия , вольтамперные характеристики .

Полупроводниковый слой n – типа с небольшой концентрацией примеси (высокоомный) выполняет функцию канала между стоком и истоком . Слой имеет толщину не более нескольких микрометров и для увеличения механической прочности его помещают на более толстое основание − подложку с противоположным типом проводимости − p – типа . Затвор также имеет проводимость p – типа , т.е. противоположную проводимости канала .

На рис. 8 ,б структура упрощена для пояснения одного из состояний ПТ . Здесь канал n − типа располагается между двумя слоями : подложкой и затвором p – типа . Условия работы : сток и исток закорочены , т.е. представляют собой единый электрод ; подложка и затвор также зако − рочены .

Если приложить к переходам отрицательное напряжение U_зи (как указано на рис. 8 ,б : «−» к p – слоям , «+» к n – слою ) , то переходы расширятся в основном за счет канала , как более высокоомного слоя . Канал станет ýже , а его сопротивление соответственно возрастет . Если увеличивать отрицательное смещение переходов , то при некотором U_зи = |−U_зи.отс| переходы полностью перекроют канал ; в идеале сопротивление канала R_i → ∞ , здесь U_зи.отс − напряжение отсечки .

Структура на рис. 8 ,в соответствует рабочему состоянию ПТ : U_си ≥ 0 ; U_зи ≤ 0 , 0 ≤ |−U_зи| ≤ |−U_зи.отс| .

Работа прибора .

1) Положим U_зи = 0 , U_си = 0 . В этом случае переходы по всей длине канала равновесные , узкие ; сечение канала максимальное .

2) Положим U_зи = 0 ; U_си ≥ 0 и постепенно растет . Под действием U_си потечет ток I_с , создающий падение напряжения на сопротивлении канала . Около стока оно будет максимальным и равно U_си по мере удаления от стока падение уменьшается и около истока равно нулю . Напряжение между «текущей» точкой канала и затвором (подложкой) отрицательно смещает переходы . Около стока смещение максимальное U_зс = U_си , около истока смещение равно нулю , поэтому вблизи стока переходы расши − рены , а вблизи истока − равновесные .

Если U_си растет , то переходы , расширяясь , уменьшают сечение канала и при U_си = U_си.н перекрывают его полностью около стока ; здесь U_си.н –

напряжение насыщения . Чем больше U_си , тем больше область перекры − тия . До перекрытия канала ток I_с растет почти линейно с увеличением U_си . После перекрытия рост I_с резко уменьшается , а затем (в идеале) прекращается . Наступает режим отсечки приращений тока стока .

Рис. 8

Описанным условиям соответствует нулевая стоковая характеристика (рис. 8 , д) .

3) Положим U_зи < 0 , |−U_зи| = const ; U_си ≥ 0 и постепенно растет . В исходном состоянии , когда U_си = 0 , за счет действия напряжения −U_зи p – n – переходы расширены , а канал сýжен . Поэтому с ростом U_си перекрытие канала и выход ПТ в режим отсечки приращений тока стока (когда ΔI_с ≈ 0) произойдет при меньшем значении U_си = U_си.н . Задаваясь различными |−U_зи| , можно получить семейство стоковых ВАХ (рис. 8 ,д) . Численные значения U_си.н определяются выражением U_си.н = |U_зи.отс| −|U_зи| .

Формула стоковой ВАХ описывается системой уравнений

{ 0 при |U_зи| > |U_зи.отс| (1) ;

I_с = {k[(U_зи.отс − U_зи.)∙U_си − 0,5U²_си] при U_си < U_си.н ,|U_зи| < |U_зи.отс| (2) ;

{0,5k(U_зи.отс − U_зи.)² при U_си > U_си.н ,|U_зи| < |U_зи.отс| (3) ;

где k − удельная крутизна триода .

На рис. 8 , г приведена типовая стокзатворная характеристика ПТ с управляющим p – n – переходом и каналом n – типа , представляющая собой зависимость I_с = f(U_зи) при U_си = const ; для ПТ с каналом p – типа стокзатворная ВАХ выглядит аналогично , но зеркально размещается во второй четверти .

ПТ с управляющим переходом применяют в схемах линейного уси − ления сигнала и импульсных устройствах .

Схемы включения полевых триодов .

Схемы включения ПТ ,как и БПТ , различают по электроду , отно − сительно которого измеряются входной и выходной сигналы . Этот электрод соединен с общей шиной (землей , местной землей)) , его называют общим . Схемы включения с общим истоком (ОИ) , общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) изображены на рис. 9 . Чаще других используется включение с ОИ , реже − с ОЗ .

(а) ОИ (б) ОС

(в) ОЗ

Рис. 9

Линейная дифференциальная схема замещения полевых триодов . Дифференциальные параметры ПТ .

На рис. 10 изображены две равноценные линейные эквивалентные схемы , общие для любых типов полевых триодов : (а) схема с экви − валентным генератором эдс μU_зи ; (б) схема с эквивалентным гене − ратором тока SU_зи ; общий электрод − исток .

На схеме : R_зи и R_зс – паразитные междуэлектродные сопротивления (затвор-исток , затвор-сток) , по существу – сопротивления изоляции между выводами прибора ; С_зи и С_зс – паразитные междуэлектродные емкости ; R_i – дифференциальное сопротивление канала ; S – дифференциальная крутизна сток – затворной ВАХ ; μ – дифференциальный коэффициент усиления полевого триода .

Сопротивления R_зи и R_зс у ПТ с управляющим переходом порядок 10⁸…10⁹Ом , у ПТ с изолированным затвором (ПТИЗ) – 10¹⁰…10¹²Ом . Величины междуэлектродных емкостей : доли…единицы пФ .

Сопротивления R_зи и R_зс , а также сопротивления паразитных емкостей C_зи , C_зс на низких частотах усиливаемого сигнала достаточно велики ,

а б

Рис. 10

поэтому их влиянием на характеристики устройства , в котором работает полевой триод , во многих случаях допустимо пренебречь , тогда его эквивалентная схема существенно упростится (рис. 11)

Дифференциальные параметры эквивалентных схем :

, ;

.

Рис. 11

Дифференциальные параметры R_i , S , μ могут быть приближенно рас − считаны по экспериментально снятым вольтамперным характеристикам ПТ . Для этого , на характеристике выбирается линейный участок и на

Рис. 12

нем , как на гипотенузе , строится т.н. характеристический (прямоуголь − ный) треугольник ; отношения катетов треугольника определяют искомый параметр . Примеры построений для расчета даны на рис. 12 .

II . Описание лабораторного стенда (рис. 13)

На лицевой панели стенда размещены вольтметры pV1 и pV2 для измерения напряжений U_зи и U_си соответственно ; миллиамперметр pA для измерения тока стока ; гнезда G1 , G2 , G3 , G4 для подключения источников питания E1 , E2 ; переключатели S1 , S2 , S3 для смены по − лярности подключения из − мерительных приборов ; потенциометры R1 и R2 для плавной регулировки напряжений U_зи , U_си ; контакты для под − пайки или установки исследуемых триодов . Предел тока , измеряемого миллиамперметром pA , расширен до 20 мА .

III . Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с параметрами исследуемого полевого три − ода . Подпаять триод к контактам согласно условному обозначению .

2. Подготовить стенд к работе :

а) повернуть шток потенциометра R1 (а также R2) против часовой стрелки до упора , что соответствует напряжению U_зи (а также U_си) равному 0 В ;

б) включить источники питания E1 E2 цепей затвора и стока , установить (по возможности) напряжения питания 5 В и 15…20 В соответственно .

Рис. 13

Снимаются характеристики только для схемы включения ПТ с ОИ .